Динамика реакций

Познакомившись теперь с основными факторами, определяющими динамику реакций, попробуем соединить их в целостную картину. Связующей нитью нам послужит зависимость полезности стимула L от количества стимулов. А поскольку с каждым стимулом связана определенная порция энергии, то нам удобнее будет сразу рассматривать зависимость полезности от суммарной энергии. Представим себе, что шарик, моделирующий поведение организма, расположен в правом устойчивом положении, т. е. Пусть на организм начал действовать стимул, который стремится увеличится. При этом H(X/yi) возрастает и L уменьшается. Поскольку это противоречит целям организма, то он, конечно, сопротивляется. Если мощность защитных реакций оказывается достаточной, то p снижается до нуля, шарик возвращается в правое устойчивое положение, полезность L возрастает и на этом все заканчивается. Таковы нормальная реакция на холод, нормальные реакции удовлетворения голода, жажды и т. п. Иное дело, если мощность защитной реакции оказывается недостаточной. Тогда развивается реакция срыва, которая проходит три фазы:
1) шарик перемещается влево и при этом поднимается вверх по склону энтропийного холма. Это значит, что в первой фазе с ростом энергии стимула его полезность уменьшается, реакция организма отрицательна;
2) так продолжается до тех пор, пока шарик не достигнет вершины холма. Происходит срыв, преодолевается порог, и все сразу меняется; дальнейшее движение шарика влево ведет к увеличению полезности. Организм уже не только не препятствует этому движению, но, напротив, даже помогает ему, отрицательная реакция сменяется на положительную. Эта фаза заканчивается переходом шарика в левое устойчивое положение;
3) теперь шарик находится в глубокой лунке, запас устойчивости весьма велик, и даже изменение стимула с х0 на Хесли таковое произойдет, неспособно вывести его из левой лунки и перебросить в правую. Но стимул х0 продолжает действовать, длительность и энергия его растут, а это ведет к тому, что р(Хо) возрастает, р(Х) уменьшается и основание энтропийного холма все больше начинает клониться вправо. Глубина лунки уменьшается, и шарик, оставаясь в лунке, поднимается вместе с ней. А это значит, что действие стимула х0 теперь уже уменьшает L, а потому вызывает отрицательную реакцию организма. Правда, реакцию не слишком сильную, не сравнимую с той, которую вызвал бы в этой же ситуации стимул Х, заставляющий организм взбираться на энтропийный холм. Поэтому организм из двух зол выбирает меньшее и предпочитает до поры до времени терпеть стимул х0. Тем временем р(х0) растет, зона устойчивости левой лунки сокращается, равновесие шарика в этой лунке становится все более хрупким. И теперь воздействие стимула Х уже способно вывести шарик из лунки и начать обратный процесс. Если действие стимула уменьшает функцию полезности L, то реакция отрицательна—организм стремится ослабить, подавить, уничтожить, затормозить этот стимул, уменьшить его мощность. Если стимул увеличивает L, то реакция положительна — организм стремится усилить, поддержать, приблизить стимул, увеличить его мощность. Есть две фазы торможения — в начале и в конце действия стимула — и фаза усиления (возбуждения) между ними. Теперь желательно эти зависимости перевести на язык формул. Несколько упрощая, можно получить нужный результат путем следующих рассуждений: чтобы иметь максимальное значение целевой функции L в данный момент времени и при данных ограничениях, организм должен увеличивать L с максимально возможной скоростью: Чтобы пояснить физический смысл величины AL/At, мы разбили ее на два сомножителя. Первый из них можно назвать эффективностью — E. Эффективность определяется как приращение полезности AL, отнесенное к затрате энергии AUx, . Второй сомножитель — это мощность потока стимулов W=A Vг /At. Мы его выделяем потому, что именно управление этой мощностью и составляет сущность реакций усиления и торможения. Теперь алгоритм этого управления можно сформулировать достаточно просто: из требования максимума скорости AL/At следует, что:
1) если эффективность Е положительна, то мощность должна быть максимальна («усиление», «возбуждение»);
2) если эффективность Е отрицательна, то мощность должна быть минимальной («подавление», «торможение»). Только так можно обеспечить максимум произведения EW.
Напомним теперь, что и сама реакция может выступать как стимул для более высокого уровня управления. Благодаря этому для управления реакциями справедлив тот же алгоритм, что и для управления стимулами: если реакция эффективна, то мощность ее возрастает до максимума, если неэффективна — то снижается до минимума. Никаких промежуточных значений мощности организм не признает — они не оптимальны. Это и есть хорошо известный в физиологии закон реагирования «все или ничего»: возбудимый элемент либо не реагирует вовсе, либо, уж если реагирует, то с максимальной интенсивностью. Из наших рассуждений следует, что именно такая манера поведения является оптимальной. Закон «все или ничего» не следует абсолютизировать. По крайней мере нужно принять во внимание две оговорки.
1. Сама величина максимальной мощности не остается всегда одной и той же и зависит от многих условий. В частности, от энергетических ресурсов организма.
2. Закон справедлив только для одного «элемента», одной «степени свободы» (рецептора, нервной клетки, мышечного волокна и т. п.). Поскольку в реакциях целостного организма обычно участвует много элементов, то суммарная мощность реакции может принимать много уровней между нулем и максимумом. Практически она выглядит не как ступенчатая, «релейная», а как «градуальная», постепенно изменяющаяся величина. Тем не менее многие черты релейного поведения сохраняются и в поведении целостного организма. Например, собака либо пьет с максимальной скоростью, либо не пьет вовсе — промежуточные скорости (и соответственно мощности) ей «неудобны». Многие, наверное, замечали по себе, что есть некоторая нормальная скорость ходьбы, и человек предпочитает либо идти с этой скоростью, либо уж стоять. Двигаться же с промежуточной скоростью (к чему нас часто вынуждает толпа) бывает просто мучительно. Из зависимости L(Ui ) следует также ряд известных эмпирических закономерностей: эффект Брока — Зульцера, парадокс Фехнера, правило «трех фаз» Симонова и т. п. Рассмотрим некоторые из них.
I. В своей работе «Три фазы в реакциях организма на возрастающий стимул» П. В. Симонов, обобщив большой и разнообразный экспериментальный материал, сформулировал такое правило: по мере возрастания энергии стимула реакция организма проходит через следующие три фазы:
1. Первичное (превентивное) торможение.
2. Возбуждение.
3. Вторичное (запредельное) торможение.
Очевидно, это те самые три фазы, которые мы получили из принципа максимума информации и представили на рис. 6.
Аналогичная закономерность известна и в эргономике: при переключении на новую деятельность х0 организм проходит через три фазы:
1. Врабатывание, когда следы прежней деятельности (или бездеятельности) Х еще не изгладились из памяти, неопределенность Н(Х/у) растет, L уменьшается и новая деятельность вызывает отрицательную эмоцию.
2. Рабочая фаза, в ходе которой неопределенность уменьшается, L растет и эмоция положительна.
3. Утомление неопределенность (Х/у) упала до нуля и больше не меняется, а на первый план выступает медленный процесс уменьшения разнообразия Н(Х). Эмоция снова отрицательна.
II. Энергия светового стимула является произведением трех его компонент: интенсивности («яркости») i, площади s и длительности ist. Эти три компоненты в определенных пределах взаимозаменяемы, так что уменьшение площади или яркости стимула может быть скомпенсировано увеличением длительности. Пусть интенсивность и площадь стимула фиксированы. Тогда энергия стимула определяется только длительностью t, и кривая дает зависимость реакции от времени. Из этой зависимости следует известный эффект Брока—Зульцера. Суть эффекта состоит в том, что существует некоторая оптимальная длительность стимула, при которой его видимая яркость является максимальной. Как снижение, так и увеличение длительности стимула снижает его субъективную яркость. Видимая яркость стимула определяется его средней мощностью. Из рис. 6 легко видеть, что эта мощность максимальна, если конец стимула совпадает с концом второй фазы (усиления). И удлинение, и укорочение стимула снижают относительную долю усиления в составе реакции и уменьшают среднюю мощность. Кроме временного, известен пространственный эффект Брока—Зульцера: если фиксировать интенсивность и длительность стимула и постепенно увеличивать его площадь, то субъективное ощущение яркости будет меняться по тому же закону: сначала субъективная яркость будет возрастать, при некоторой оптимальной площади достигнет максимума и с дальнейшим увеличением площади начнет снижаться.
III. Чем больше мощность светового стимула, тем быстрее возрастает его энергия со временем, тем быстрее, следовательно, он проходит указанные выше три фазы. Тем быстрее можно переключаться со стимула х0 на JC (например, с черного на белое) и обратно. Тем выше, следовательно, может быть предельная частота переключений, при которой организм еще успевает отвечать реакцией возбуждения на оба стимула. Физиологи и психологи называют эту предельную частоту частотой слияния мельканий (ЧСМ). Критическая частота существует не только для временных, но и для пространственных изменений стимула. Если постепенно удалять от глаз решетку из черных и белых полос, то рано или поздно они сольются в сплошной серый фон. Здесь критическая пространственная частота характеризует уже не инерцию зрения, а его остроту. Как следует из зависимости L(Ui), и временная, и пространственная частота слияния должны расти с ростом мощности стимула. Этот вывод вполне подтверждается опытом: увеличение освещенности увеличивает и остроту зрения, что каждый знает по себе.
IV. Из сказанного выше следует, что есть некоторая оптимальная частота переключений со стимула Х на Хо и обратно, на которой возникает своего рода психический резонанс: при заданной мощности стимула средняя мощность реакции максимальна. Если предоставить организму два разных стимула и возможность переключаться с одного на другой, то он сам будет поддерживать «автоколебания» с оптимальной частотой.
Практически все виды деятельности организма— еда, питье, дыхание и т. п. — имеют именно такой циклический, автоколебательный характер. Не является исключением и восприятие. Вы можете увидеть либо белую вазу, либо два черных профиля. Если смотреть достаточно долго, то два этих изображения будут поочередно сменять друг друга. Вы можете видеть этот куб то в прямом, то в обращенном положении. Смена изображений происходит почти независимо от вашего желания — но только почти. На самом деле вы можете несколько ускорить появление очередного изображения, если заранее его себе представите. Представление, как мы уже знаем, играет роль внутреннего источника стимулов, мощность которого складывается с мощностью внешнего источника. Именно поэтому вызванное из памяти представление о белой вазе может ускорить переключение на нее.
V. Интересно рассмотреть предельный случай, когда площадь одного стимула намного больше площади другого. Например, глаз наблюдает черную точку (х0) на белом фоне (i). В этом случае для поддержания равенства вероятностей обоих стимулов глаз должен компенсировать малую площадь стимула Хо большой длительностью. Это значит, что он будет долго задерживаться на черной точке и лишь изредка отвлекаться на белый
фон. Иначе говоря, теоретически и здесь происходит переключение, но время пребывания на белом фоне настолько мало, что практически процесс выглядит как фиксация взглядом черной точки. Это свойство точки на фоне широко используется в психологических экспериментах, когда нужно зафиксировать взгляд испытуемого в определенном месте поля.
VI. Одним из наиболее интересных следствий авто колебательного характера поведения является «эффект границы». Суть его лучше всего продемонстрировать на примере движения глаз. Если разглядывать рисунок, состоящий из черного и белого полей, то оказывается, считается понятной: граница наиболее информативна, недаром при изображении предметов достаточно бывает очертить только их контуры, выбросив внутренние области. Это объяснение в принципе правильно, только нам хотелось бы несколько уточнить его: движение вдоль границы наиболее эффективно— позволяет глазу получать максимум информации при минимальных затратах энергии на переключение. Например, если глаз адаптировался к черному, то вблизи границы достаточно лишь слегка сместиться, чтобы попасть на белое и восстановить высокую информативность стимула. Из внутренней области смещаться
пришлось бы далековато, не экономно, почему глаз и недолюбливает внутренние области. (Обратим внимание, что и про восприятие можно говорить в терминах экономии энергии, но только если знаешь, ради чего она экономится, какова истинная цель восприятия.) Можно интерпретировать этот эффект и в терминах энтропии: области вблизи границы обладают большей энтропией (разнообразием стимулов), чем области вдали от нее. «Эффект границы» наблюдается во многих формах поведения. Например, этологам хорошо известно, что опушка леса, берег моря, граница распаханного поля и вообще любая особенность на однообразной местности неудержимо притягивают к себе всякое живье — птиц, зверей, насекомых. Плотность «населения» вблизи границы всегда выше, чем во внутренних областях. Думается, что среди прочих факторов не последнюю роль играет и разнообразие условий (информативность!), обещающее более интересную жизнь. Наши предки также предпочитали селиться не посредине однообразного — степного ли, лесного ли — массива, а вблизи какой-то особенности, будь то река, берег моря, граница леса и т. п. Наконец, если посмотреть, как вообще распределена жизнь на Земле, то мы увидим, что она кишит главным образом на границе трех сред — океана, суши и атмосферы. По мере удаления от этой границы в глубь любой из этих сред напор жизни ослабевает, концентрация биомассы уменьшается. Таким образом, мы видим, что из принципа максимума информации можно вывести и тем самым объяснить большое количество известных опытных фактов и эмпирических закономерностей. Теперь мы хотели бы выбрать две интересные области фактов и остановиться на них подробнее.

Комментарии к статье:

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем




Новое на сайте


Леса юга Сибири и современное изменение климата


По данным информационной системы «Биам» построена ординация зональных категорий растительного покрова юга Сибири на осях теплообеспеченности и континентальности. Оценено изменение климата, произошедшее с конца 1960-х по 2007 г. Показано, что оно может вести к трансформации состава потенциальной лесной растительности в ряде регионов. Обсуждаются прогнозируемые и наблюдаемые варианты долговременных сукцессии в разных секторно-зональных классах подтайги и лесостепи.


Каждая популяция существует в определенном месте, где сочетаются те или иные абиотические и биотические факторы. Если она известна, то существует вероятность найти в данном биотопе именно такую популяцию. Но каждая популяция может быть охарактеризована еще и ее экологической нишей. Экологическая ниша характеризует степень биологической специализации данного вида. Термин "экологическая ниша" был впервые употреблен американцем Д. Гриндель в 1917 г.


Экосистемы являются основными структурными единицами, составляющих биосферу. Поэтому понятие о экосистемы чрезвычайно важно для анализа всего многообразия экологических явлений. Изучение экосистем позволило ответить на вопрос о единстве и целостности живого на нашей планете. Выявления энергетических взаимосвязей, которые происходят в экосистеме, позволяющие оценить ее производительность в целом и отдельных компонентов, что особенно актуально при конструировании искусственных систем.


В 1884 г. французский химик А. Ле Шателье сформулировал принцип (впоследствии он получил имя ученого), согласно которому любые внешние воздействия, выводящие систему из состояния равновесия, вызывают в этой системе процессы, пытаются ослабить внешнее воздействие и вернуть систему в исходное равновесное состояние. Сначала считалось, что принцип Ле Шателье можно применять к простым физических и химических систем. Дальнейшие исследования показали возможность применения принципа Ле Шателье и в таких крупных систем, как популяции, экосистемы, а также к биосфере.


Тундры


Экосистемы тундр размещаются главным образом в Северном полушарии, на Евро-Азиатском и Северо-Американском континентах в районах, граничащих с Северным Ледовитым океаном. Общая площадь, занимаемая экосистемы тундр и лесотундры в мире, равно 7 млн ​​км2 (4,7% площади суши). Средняя суточная температура выше 0 ° С наблюдается в течение 55-118 суток в год. Вегетационный период начинается в июне и заканчивается в сентябре.


Тайгой называют булавочные леса, широкой полосой простираются на Евро-Азиатском и Северо-Американской континентах югу от лесотундры. Экосистемы тайги занимают 13400000 км2, что составляет 10% поверхности суши или 1 / 3 всей лесопокрытой территории Земного шара.
Для экосистем тайги характерна холодная зима, хотя лето достаточно теплое и продолжительное. Сумма активных температур в тайге составляет 1200-2200. Зимние морозы достигают до -30 ° -40 °С.


Экосистемы этого вида распространены на юге от зоны тайги. Они охватывают почти всю Европу, простираются более или менее широкой полосой в Евразии, хорошо выраженные в Китае. Есть леса такого типа и в Америке. Климатические условия в зоне лиственных лесов более мягкие, чем в зоне тайги. Зимний период длится не более 4-6 месяцев, лето теплое. В год выпадает 700-1500 мм осадков. Почвы подзолистые. Листовой опад достигает 2-10 тонн / га в год. Он активно вовлекается в гумификации и минерализации.


Тропические дождевые леса - джунгли - формируются в условиях достаточно влажного и жаркого климата. Сезонность здесь не выражена и времени года распознаются по дождливым и относительно сухим периодами. Среднемесячная температура круглогодично держится на уровне 24 ° - 26 ° С и не опускается ниже плюс восемнадцатого С. Осадков выпадает в пределах 1800-2000 мм в год. Относительная влажность воздуха обычно превышает 90%. Тропические дождевые леса занимают площадь, равную 10 млн. кв. км.