Psycho-emocjonalne uwarunkowania istnienia systemów autonomicznych wg Mariana Mazura mgr inż. Maciej Węgrzyn http://autonom.edu.pl

Plan prezentacji Wprowadzenie Cybernetyczne parametry systemów autonomicznych (układów samodzielnych) Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego Przejście od systemów działaniowych do systemów konfiguracyjnych Najmniejszy możliwy do zrealizowania system autonomiczny typu „pattern” Zależność układów zdalnych od otoczenia Możliwość zapisu matematycznego właściwości systemu autonomicznego Wnioski praktyczne

Wprowadzenie Marian Mazur, twórca polskiej szkoły cybernetycznej, jest autorem oryginalnej metody postępowania przy badaniu różnych zjawisk dotyczących sterowania. Postępując w badaniu zjawisk tą metodą należy wychodzić od założeń ogólnych i przechodzić do rozpatrywania przypadków szczegółowych. Metodę te nazwał metoda systemową, przy czym systemy według tej metody są kreowane ze względu na wykonywane czynności - więc są systemami typu „acting”. W dalszej części prezentacji pokażemy jak ta metoda pozwala przewidzieć przebieg zjawisk związanych z zachowaniami społecznymi ludzi i jak dalece różni się od innych metod.

Cybernetyczne parametry systemów autonomicznych (układów samodzielnych) Jeżeli coś musi być to to jest! M. Mazur, „Cybernetyka i charakter” Systemy autonomiczne (S.A., wcześniej zwane układami samodzielnymi) – są to systemy zdolne do sterowania sobą i zdolne do zachowania zdolności sterowania sobą, w szczególności ludzie. Akumulator – podsystem S.A., który przechowuje i „wydatkuje” energię. Korelator – podsystem S.A., który przechowuje, przetwarza i „wydatkuje” informacje. Homeostat – podsystem S.A., który współpracując z akumulatorem i korelatorem ma zapobiegać utracie równowagi funkcjonalnej systemu autonomicznego.

Cybernetyczne parametry systemów autonomicznych

Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego System autonomiczny (układ samodzielny) jest nazwą cybernetyczną, określającą "coś" (pewien twór, ustrój żywy lub nawet abstrakcyjny), co wypełnia następujące funkcje sterownicze: steruje sobą samym i zapobiega utracie zdolności sterowania sobą. Wszystkie systemy spełniające te funkcje zaliczamy do S.A., są to organizmy żywe, w tym również i ludzie, gdyż organizm człowieka spełnia także postulaty zawarte w definicji (a więc jest S.A.). Aby te postulaty zrealizować, każdy proces informacyjny, określający typ reakcji, oraz proces energetyczny (określający natężenie reakcji) musi sprzęgać ze sobą coś, co tą czy inną drogą utrzymuje równowagę funkcjonalną (homeostazę) systemu, i co wchodzi w skład tego systemu - tym czymś jest homeostat.

Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego Każdy proces wymaga przepływu energii, ale w procesach informacyjnych jest to energia sterownicza, która służy do wskazania różnic między stanami fizycznymi, podczas gdy w procesach energetycznych jest to energia poświęcona na wykonanie pracy, służącej dla przeprowadzenia transformacji jednych stanów fizycznych w drugie. Stąd podział funkcji pomiędzy odpowiednie podsystemy. Podział na podsystemy jest poddany rygorom ścisłej funkcjonalności - jeden podsystem spełnia tylko jedną funkcję, zaś do wypełnienia jednej funkcji służy zawsze tylko jeden podsystem. Relacja pomiędzy zbiorem podsystemów i zbiorem funkcji jest "relacją doskonałą". Między podsystemami występują sprzężenia proste i sprzężenia zwrotne. Na rysunku przedstawiono funkcje podsystemów i sprzężenia podsystemów w systemie autonomicznym.

Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego

Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego Reaktywność podsystemu jest to sposób transformowania bodźców. Reaktywność r = +1 oznacza wierne transformowanie, zaś r = -1 oznacza odwracanie oddziaływań. Zachowanie się S.A. jest rezultatem sprzężeń zwrotnych pomiędzy reakcjami a bodźcami. Korelator daje informacje o sposobach modyfikacji. Akumulator daje energię w pożądanej postaci. Efektor zasilany przez oba te podsystemy oddziałuje na otoczenie, aby zdobyć niezbędny stopień zasilania i potrzebne informacje. Homeostaza systemu autonomicznego polega na sprzężeniu zwrotnym pomiędzy korelatorem a homeostatem oraz akumulatorem a homeostatem: odwracanie oddziaływań ma przeciwdziałać zarówno nadmiarom, jak i niedomiarom w koncentracji energii w systemie autonomicznym, w zakresie czułości homeostatu.

Równowaga funkcjonalna systemu autonomicznego Oddziaływanie akumulatora na homeostat jest to obciążenie (informacja o poziomie energii w akumulatorze). Jeżeli poziom energii rośnie, obciążenie rośnie i jest to przeciążenie. Jeżeli obciążenie spada, jest to odciążenie. Oddziaływania homeostatu na akumulator jest to naprężenie (jest to obrona przed nadmiarem i niedomiarem energii). Jeżeli naprężenie rośnie - jest to sprężenie. Jeżeli naprężenie spada - jest to odprężenie. Działanie korelatora na homeostat jest to emocja. Jeżeli emocja rośnie, jest to awersja. Jeżeli emocja opada, jest to atrakcja. Działanie homeostatu na korelator jest to refleksja. Jeżeli refleksja rośnie, jest to aprobata. Jeżeli refleksja spada jest to dezaprobata. Powyższe terminy należy używać w znaczeniu, w jakim zostały oparte w konwencjach terminologicznych, choćby zakres znaczeniowy nie w pełni pokrywał się z potocznym rozumieniem użytych wyrazów.

Podział systemów na klasy Podział systemów na klasę systemów działaniowych "acting" i klasę systemów konfiguracyjnych "pattern" podał Alfred Kuhn (1974). Wyszczególniając podsystemy w systemie typu "acting" mamy na uwadze funkcje przez nie wykonywane, wyszczególniając systemy typu "pattern” mamy na uwadze elementy oddzielne fizycznie, na jakie możemy podzielić system. Rozważania na temat systemu typu "acting" nadają się do rozwiązywania problemów decyzyjnych (jak coś działa). Systemy typu „pattern" stosuje się przy rozwiązywaniu problemów poznawczych (co jest jakie).

Czarna skrzynka S R Przez „S” oznaczymy oddziaływanie wejściowe (od ang. stimulus - bodziec). Przez „R” oznaczymy oddziaływanie wyjściowe (od ang. reaction - reakcja). Według ustaleń M. Mesarovica oddziaływania wyjściowe są zawsze mniejsze od wejściowych: S>R niezależnie od rodzaju oddziaływań. Jest to zgodne z ustaleniami M. Mazura, że „wszelkim procesom przetwarzania energii towarzyszą straty energii do otoczenia”. Jak widać z rysunku, aby uznać że system istnieje, dowolny Obserwator powinien wykonać następujące czynności:

Systemy kreuje Obserwator! Czarna skrzynka S R Pomierzyć sygnał uznany za wejściowy S Pomierzyć sygnał uznany za wyjściowy R Porównać wielkość sygnałów Rozpatrzyć wszystkie możliwości : 1. Jeżeli S>R to może uznać, że system istnieje. 2. Jeżeli S=R to jeszcze nie wiadomo, czy system istnieje. 3. Jeżeli S<R to Obserwator pomylił wejście z wyjściem (pomylił kierunek procesu). Jak widać, prawdziwe jest stwierdzenie: Systemy kreuje Obserwator!

Budowa najmniejszej czarnej skrzynki Jakie jest najmniejsze skupienie energii i materii aby działało jako system? Adam Lech Aby mogło zadziałać "wyjście", musi być różnica potencjałów pomiędzy wyjściem a otoczeniem. Przyjmijmy, że różnica ta jest w wysokości +1 ziarno energomaterii na wyjściu systemu, czyli R=+1. Ponieważ wielkość „ziarna” zależy od możliwości obserwacyjnych Obserwatora, „najmniejszość” systemu jest więc rzeczą umowną - trzeba podawać, jakie „ziarna” rozpatrujemy!

Budowa najmniejszej czarnej skrzynki Aby mógł nastąpić przepływ energomaterii pomiędzy "wejściem" i "wyjściem", "wejście” musi mieć potencjał wyższy od „wyjścia”, gdyż pewna część energii jest zużywana na potrzeby własne systemu. 1. Jeżeli przyjmiemy, że jest to także +1 ziarno, to potencjał wejściowy musi być wyższy również o +1 ziarno od "wyjścia”, czyli o +2 od otoczenia. A więc nie wszystkie skupienia energomaterii powodują działanie systemu typu "czarna skrzynka", ale tylko takie, które są +2 ziarnami energomaterii.

Budowa najmniejszej czarnej skrzynki 2. Jeżeli przyjmiemy, że straty są niższe, to ziarno na wyjściu musi być jakby „mniejsze” od ziarna na wejściu. 3. Ponieważ obserwator też powinien być systemem, może to oznaczać, że odbierane są sygnały o wartości energetycznej +2 ziaren. I tylko takie będą nośnikami informacji. Pozostałe nie spowodują zadziałania "czarnej skrzynki". Jednocześnie można na podstawie powyższego rozważania określić maksymalną dopuszczalną stratność "w" systemu - wynosi ona 0,5 i nie jest zależna od masy systemu.

Sieci najmniejszych czarnych skrzynek Biorąc pod uwagę, że nośnikami energii są kwanty promieniowania można ustalić następujące reguły połączenia "czarnych skrzynek " w sieć systemów: E = hxv0 ≥ hxv1 ≥ hxv2 Jeżeli straty energii są niewielkie, dużo poniżej kwantu absorbowanego przez wejście systemu, to na wyjściu mogą pojawić się dwa kwanty o niższej wartości energetycznej. Gdzie "v" to częstotliwość (gdyż kwant kwantowi nie jest równy). Wtedy można systemy łączyć szeregowo.

Sieci najmniejszych czarnych skrzynek R=S1 R1=S2 R2 S Łączenie szeregowe systemów typu czarna skrzynka.

Sieci najmniejszych czarnych skrzynek R1 + R2 = S3 Łączenie równoległe systemów typu czarna skrzynka.

Sieć najmniejszych czarnych skrzynek Szereg można włączyć do równoległego działania zawsze, działa wtedy jako sumator zbiorów. Sieć kombinowana wymaga przetwarzania w ostatnim elemencie dwu kwantów o niższej wartości w jeden o wyższej wartości: 2 hv1 = / hv2 / Połączenie dwu odcinków sieci, z których jeden działa jako szeregowy, a drugi działa jako równoległy może nastąpić, gdy: - połączenie ma charakter "równoległy" lub szeregowo-równoległy, - dwa "ziarna” płynące jako sygnał z sieci szeregowej mają energię nieco wyższą niż jedno ziarno sieci równoległej, 2hvs > hvr - sieć kombinowana ma dwa różne rodzaje "częstotliwości wejściowej" przy czym "częstotliwość szeregowa" jest prawie dwukrotnie niższa, niż częstotliwość "równoległa" 2vs = vr

Sieć najmniejszych czarnych skrzynek Ilustracją takiego łączenia sieci „czarnych skrzynek” jest działanie chlorofilu w procesie fotosyntezy: dwa fotony odczepiają dwa elektrony, które przenoszone są na coraz niższe poziomy energetyczne, chlorofil wykazuje dwa pasma maksimum absorbcji – we fiolecie i w czerwieni. Do tej pory nie było wiadome dlaczego akurat te pasma są absorbowane – wystarczyłoby przecież jedno, aby zapewnić zasilanie. Ale jedno pasmo ogranicza możliwość budowania sieci logicznych. Albo buduje się szeregowe albo równoległe, podwojony sygnał pojawia się trzy razy częściej niż pojedynczy.

Sieć najmniejszych czarnych skrzynek Warunki budowy sieci przystosowanych do rozwiązywania zadań logicznych: Przesyłanie sygnałów wymaga połączeń szeregowych. Dodawanie zbiorów – połączeń równoległych z sieci szeregowych. Mnożenie zbiorów – połączeń równoległych sieci równoległych. Mnożenie zbiorów, z których jeden powstał w wyniku dodawania, a drugi w wyniku mnożenia zbiorów wymaga pracy na dwu „częstotliwościach”, z których pierwsza jest niecałe dwa razy niższa niż druga. Można udowodnić, że jest możliwość budowania „maszyny logicznej” przeznaczonej do rozwiązywania konkretnego zadania logicznego, ale przy niepełnym zasilaniu wejść maszyna ta będzie rozwiązywać inne zadanie logiczne! Zapis matematyczny takiego wywodu wymaga wprowadzenia nowych symboli.

Najmniejszy możliwy do zrealizowania system autonomiczny typu „pattern” Schemat funkcjonalny systemu autonomicznego (S.A.) podał M. Mazur. Na rysunku zaznaczono nazwy wszystkich oddziaływań pomiędzy podsystemami.

Najmniejszy możliwy do zrealizowania system autonomiczny typu „pattern” Zbudowanie takiego systemu jest możliwe technicznie. Również w takiej formie jaką podał M. Mazur. Potrzeba do tego jednak aż 12 punktów gromadzenia energii i 10 dróg rozpływów wewnętrznych w podsystemach oraz 4 dróg rozpływu pomiędzy podsystemami. Powstanie takiego systemu w drodze przypadkowych połączeń jest niezwykle mało prawdopodobne. Powstaje jednak pytanie, czy można to samo zrobić „oszczędniej” z użyciem mniejszej liczby elementów, gdyż jeden element odrębny fizycznie, z jakich konstruujemy system „patter” może w systemie „acting” spełniać więcej niż jedną funkcję. Przy czym funkcją będzie tu wypełnianie jakiejś czynność niezbędnej do działania systemu jako całości, bo sposób przyporządkowania elementów systemu ”acting” polega na tym, że jeden element wypełnia tylko jedną funkcję systemu.

Budowa homeostatu refleksja emocja naprężenie obciążenie Wg. A. Lecha układ połączeń w homeostacie wygląda następująco.

Budowa homeostatu Biorąc pod uwagę zasadę Mazura, że każda czynność wymaga zaznaczenia na schemacie odrębnego podsystemu, a przesłanie sygnału jest ukierunkowane, można ten schemat nieco zmodyfikować i podsystemy rozdzielające sygnał na połowy oznaczyć jako diody. refleksja naprężenie emocja obciążenie Układ połączeń w homeostacie wg M. Węgrzyna

Budowa homeostatu Zgodnie z deklarowaną w tytule zasadą minimalizmu przyjmijmy za poprzednim rozdziałem, że podsystemy są właśnie tymi najmniejszymi „czarnymi skrzynkami”. Dalej ze względu na właściwości przekazywania sygnału „tylko w jedną stronę”, to znaczy od „wejścia” do „wyjścia”, możemy przyjąć, że działają one jak diody, ale szczególnego rodzaju, gdyż dzielące sygnał na dwie połowy! Otrzymamy wtedy schemat jak na poprzednim rysunku. Schemat ten można narysować jeszcze trochę odmiennie, przez co wyraźnie zarysowana będzie struktura systemu.

Budowa homeostatu emocja obciążenie naprężenie refleksja Struktura połączeń w homeostacie. Widać tutaj, że jest to struktura podobna do mostka elektrycznego.

Budowa homeostatu Homeostat ma za zadanie odwracać działania: jeżeli oddziaływanie na homeostat rośnie, to ma on takie działanie zmniejszać i odwrotnie. Ze schematu wynika, że gdy na wejściu pojawią się dwa „ziarna”, to na wyjściu będzie tylko jedno, a może też być sytuacja, że gdy na wyjściu będzie zero „ziaren”, to na wejściu będzie jedno „ziarno”. Jak widać powiodło się nam skonstruowanie homeostatu – ale czy to już wszystkie funkcje, jakie taki mały system wypełnia? Korelator ma za zadanie gromadzić energię korelacyjną i przesyłać ją po ściśle określonych drogach przewodności. Nasz mały system również nic innego nie robi. Problem tylko w tym, że dróg przewodności jest mało – ale to problem liczbowy, a nie sterowniczy.

Budowa homeostatu W korelatorze po każdym przepływie powinna wzrastać przewodność – ten warunek jest o tyle trudny do uzasadnienia na poziomie „mikro”, że tutaj utrata oporności oznaczałaby utratę „jakości” – własności tworzywa pozwalającej na zaistnienie koncentracji ładunku. Niemniej jest to warunek do spełnienia, jeżeli przyjąć np., że tworzywo ma już przewodność graniczną – wtedy nasz system niczego by się nie nauczył, ale nie popadajmy w antropiczny punkt widzenia, jemu wystarczy to, co „wie”. Akumulator ma magazynować energię i oddziaływać nią na otoczenie. A przecież nasz system też nic innego, tylko właśnie to robi. WNIOSEK – tak zbudowany system jest systemem autonomicznym (S.A.), gdyż spełnia wszystkie funkcje systemów autonomicznych.

Budowa homeostatu Sprawa receptora i alimentatora rozwiązuje się „sama przez się”, zresztą z teorii automatyki wynika, że podzespoły szeregowo połączone mogą być zastępowane przez jeden podzespół. Natomiast efektor może znajdować się z powodzeniem w otoczeniu. Sytuacja w efektorze nie wpływa na homeostat bezpośrednio, ale poprzez obserwację otoczenia. Dalsza analiza możliwości działania takiego S.A. wymaga ścisłego trzymania się ustaleń M. Mazura. Jest to zgodne z zasadami nowoczesnej nauki, aby prawa ogólne stosować tak długo, jak długo się da. Zastosujemy tutaj prawo systemowe, że systemy połączone szeregowo można przedstawić na schemacie jako jeden system.

Najmniejsza struktura S.A. refleksja emocja naprężenie obciążenie Najmniejsza struktura systemu autonomicznego.

Struktura S.A. Jak widzimy, systemem autonomicznym może być taki system dwu elementowy, w którym każda część połowę swojego zasilania przekazuje drugiej połówce systemu (co jest ważne np. w małżeństwie!). Zasada ta obowiązuje niezależnie od wielkości „ziarna”. Mogą to być stosunki – państwo a obywatel, przyjaciele, grupy przyjaciół itd. System utrzymuje się w równowadze przy zachowaniu zasady „połówek”. Połowę potrzeb my zaspakajamy kontrahentowi, a on zaspokaja połowę naszych potrzeb. Wtedy nie ma dominacji żadnego z elementów i system trwa w równowadze.

Poszukiwania najmniejszego realnie istniejącego S.A. W świecie cząsteczek budowę analogiczną do podanej powyżej mają wiązania pomiędzy zasadami tworzącymi łańcuch DNA. Wynikałoby z tego, że już DNA jest siecią najmniejszych S.A. W świecie atomów znane mi jest tylko jedno wiązanie, tzw. wiązanie amylowe: =C=C= Wiązanie to jest uważane za nietrwałe, ażeby było trwałe, musi przebiegać bez przerwy proces obiegana wiązania przez chmurę elektronową. Ciekawostką jest, że nowo odkryte fulereny wypełniające czarną materią przestrzenie międzygwiezdne też są oparte na tym wiązaniu! Czyżby „pożerały” światło? Również reakcje typu metatezy przebiegają w podobny sposób. Badania nad sieciami takich S.A. mogą mieć znaczenie przy opracowywaniu nowych metod pozyskiwania substancji o właściwościach np. leczniczych do „reperacji” łańcuchów DNA.

Zależność systemów autonomicznych od otoczenia Niedocenianą stroną badań nad strukturami systemów autonomicznych jest ich zależność od otoczenia. Aby powstały – wymagają one istnienia strumienia energomaterii na tyle uporządkowanego, aby istniały co najmniej dwuziarnowe porcje energomaterii. Przerwanie dopływu energomaterii powoduje rozpad struktury tych systemów. Oddziaływanie otoczenia oznaczone jest tu jako emocja (bo tak było oznaczone na schemacie na początku rozważań), zaś oddziaływanie systemu autonomicznego – jako refleksja. Użycie akurat takich słów na oznaczenie tych oddziaływań nie jest nadużyciem semantycznym – wskazuje na to, że otoczenie jest w pewien sposób przyjaźnie związane z istnieniem systemów autonomicznych. Systemy te porządkują otoczenie na swoich wyjściach, umożliwiając przyłączanie nowych struktur tego samego typu i tworząc w rezultacie rodzaj struktur dyssypatywnych. Replikacja nie jest ich zadaniem nadrzędnym – stanowi ucieczkę przed nadmiarem nagromadzonej energomaterii, stąd wniosek, że rozmnażanie się jest celem życia nie jest trafny. Replikacja powoduje oznakowanie ziaren energomaterii i zapobiega ich przyłączaniu ponownie.

Możliwości zapisu matematycznego właściwości systemu autonomicznego O ile zapis matematyczny sumowania zbiorów i iloczynu zbiorów jest ogólnie znany, to zapis działania polegającego na dzieleniu zbioru na dwie równe połówki jest mi nieznany i być może wymaga wprowadzenia do matematyki, jeżeli ktoś się na to odważy. Wtedy można by prześledzić prawidłowości, jakie rządzą połączonymi w sieci zbiorami. Wydaje mi się, że obecnie używane narzędzia do tworzenia tzw. sieci neuronowych – programów komputerowych zdolnych do samodoskonalenia się nie wykorzystują prawidłowości rządzących najmniejszymi systemami autonomicznymi.

Wnioski praktyczne Ustalenia powyższe mogą być pomocne nie tylko w biotechnice, ale i w innych dziedzinach sterowania, w tym w sterowaniu ludźmi, począwszy od nauczania, poprzez marketing do wychowania obywatelskiego. Dotychczas stosowana metoda „prób i błędów”, pomimo swej skuteczności nie pozwala na dostrzeganie nowych możliwości poza wektorem inercji wynikającym z przyzwyczajenia do starych metod. Metoda prób i błędów jest poza tym droższa i wymaga większych nakładów na początku, jednakże jest stosowana przez ludzi niecierpliwych i żądnych natychmiastowego sukcesu, a kierujących się hasłem: działajmy już choćby na oślep, a wyniki też będą już, najwyżej się poprawi metodę jeżeli wyniki nie będą nam odpowiadały. Wynika to ze strachu przed opóźnieniem w stosunku do konkurencji, a strach jest powodem pozornego przyspieszenia dynamizmu pozornego, co prowadzi do przywiązania do metody postępowania. Dlatego m.in. cybernetyka nie przebiła się do tej pory, jako metoda działania ciągle zbyt nowa i odbiegająca od dotychczasowych przyzwyczajeń w postępowaniu badawczym.

Literatura T. Dietl, „O przyszłości miniaturyzacji”, Dleta, nr 10/1999, str. 12. R. Klimek, J.M. Madej, A. Sieroń, „Rak – nowotwory a choroby nowotworowe”, Kraków 2006. A. Kuhn, „The Logic of Social Systems: A Unified, Deductive, System-Based Approach to Social Science”, San Francisco 1974. M. Mazur, „Cybernetyczna teoria układów samodzielnych”, Warszawa 1966. M. Mazur, „Cybernetyka i charakter”, Warszawa 1999. M. Mesarovic, „Matematyczna teoria systemów ogólnych”, [w:] „Ogólna teoria systemów”, pod. red. G.J. Klira, Warszawa 1976. A. H. Piekara, „Nowe oblicze optyki”, Warszawa 1976. G. Weinberg, „Myślenie systemowe”, Warszawa 1979. M. Węgrzyn, „Zagadnienie minimalnego autonomu. Przejście od systemów działaniowych do systemów konfiguracyjnych”, Problemy Genezy, nr 1-2 (215-216), 2007, Warszawa, s. 43-50.