BIOCIBERNETICA

INTRODUCERE

Cibernetica (kybernan/kybernetike = a cârmui, a dirija/dirijare) este disciplina a cărei apariţie se consideră a coincide cu momentul publicării de către Norbert Wiener în anului 1948, a cărţii intitulate “Cibernetica sau ştiinţa comenzii şi comunicării la fiinţe şi maşini”. In lumina acestui domeniu de studiu, organismele vii sunt fi privite şi tratate în aceaşi manieră ca şi maşinile automate, fără să se ia în discuţie cauza sau natura fenomenelor implicate în funcţionarea lor, ci numai modul acestora de a interacţiona sau comunica.

Obiectul de studiu al ciberneticii este sistemul cibernetic. Acesta poate fi orice sistem material capabil să efectueze acţiuni determinate şi să sufere efectul unor acţiuni exterioare. Sistemul evoluează dintr-o stare în alta, spontan, sau sub influenţa factorilor externi fiind astfel, fie “sursă” de evenimente, fie “receptor” de evenimente, aflându-se permanent sub influenţa evenimentelor produse în exterior. “Materialul” de schimb utilizat în aceste procese de interacţie îl vom denumi informaţie.

Organismele vii vor fi studiate ca sisteme cibernetice (biocibernetice): acestea recepţionează informaţie din mediu, o procesează şi o stochează în vederea utilizării ei ulterioare, fie în scopuri proprii, fie pentru a o transmite mai departe către alte sisteme cibernetice. Schimbul de informaţii dintre organism şi mediu are rolul de a realiza adaptarea organismului la condiţiile în permanentă schimbare ale mediului, pentru a asigura sincronizarea spaţio-temporară a evoluţiei organismului cu fenomenele din mediul înconjurător. Acest schimb presupune, următoarele procese de interacţiune cibernetică:

Recepţionarea informaţiei este asigurată de analizatori, care permit conversia diferitelor forme de energie (variaţii ale acestora) în semnale biologice (neuronale), preluate de sistemul nervos.

Stocarea şi procesarea este realizată de către sistemul nervos. La om, dezvoltarea prin număr de elemente şi de conexiuni, dar şi prin plasticitatea acestora din urmă, sistemul nervos central a generat starea de conştienţă, formă de auto-reprezentare a propriei stări de existenţă a organismului. Acest mod de integrare a înformaţiei o considerăm cea mai înaltă formă de ordonare a materiei, ca rezultat al evoluţiei prin procesul continuu de adaptare la condiţiile de mediu.

Transmiterea informaţiei către exterior, este asigurată de organe specializate, precum organul fonator (vorbirea) sau degetele mâinilor (scrisul, tastarea butoanelor tastaturii), în general, musculatura somatică.

In mediul înconjurător există un număr foarte mare de surse de informaţie, organismul fiind “bombardat” în fiecare clipă de o cantitate foarte mare de semnale ce formează un surplus inutil de informaţie, considerată informaţie parazită (perturbaţie). Organismul a dezvoltat mecanisme cibernetice care pot combate efectele perturbaţiilor prin:

- sisteme de comandă – mecanisme de amplificare sau atenuare – la nivelul segmentelor periferice ale analizatorilor;

- modul de procesare, stocare şi evocare a informaţiei (recunoaşterea informaţiei curente prin compararea cu informaţia acumulată anterior);

- mecanisme de filtrare, atenuare şi suprimare a informaţiei recepţionate asociate cu posibilitatea de extragere a informaţiei utile dintr-un fond de semnale aleatoare cu intensitate comparabilă prin efectul atenţiei selective (efectul de “cocktail-party”)

Abordarea problemelor în cibernetică se bazează pe:

a) abstractizarea sistemului studiat, în sensul că se face abstracţie, atât de natura materialului din care este alcătuit sistemul, cât şi de energia necesară funcţionării lui, rămânând doar schema de structură a sistemului şi cea funcţională (principiul cutiei negre – “black box”);

b) modelarea sistemului studiat, care presupune realizarea unei scheme de principiu a sistemului, sau ansamblului de sisteme interconectate. Pornind de la această schemă, se pot construi modele experimentale, utilizate pentru studierea comportamentului şi evoluţiei sistemului prin două căi:

- modelare (simulare) fizică, prin construirea unor dispozitive (de ex. electronice) care să reproducă funcţiile de comunicare ale unităţilor din sistem;

- modelare (simulare) virtuală, pe calculator, prin intermediul unui program de simulare, bazat pe un algoritm matematic dedus din analiza aprofundată a proceselor reale din sistem.

Domeniile principale ale cibernaticii sunt:

1. Teoria informaţiei, care cuprinde noţiunea de informaţie, transmiterea informaţiei, codificarea şi decodificarea informaţiei, perturbaţiile.

2. Teoria sistemelor de comandă sau cu reglare automată

ELEMENTE DE TEORIA INFORMAŢIEI

In 1948 Claude Shannon, studiind procesul de comunicaţie prin semnale de orice natură, a definit informaţia generată de un eveniment prin nedeterminarea (incertitudinea) pe care o înlătură recepţionarea rezultatului acelui eveniment (semnalul). Noţiunea de informaţie, prin definiţie, presupune următoarele condiţii pentru a căpăta sens:

semnalul să se poată propaga printr-un mediu oarecare, astfel încât acesta să poată ajunge la un alt sistem (receptor);

sistemul receptor să poată “recepţiona” acel semnal.

Sistemul, a cărui modificare de stare reprezintă evenimentul produs, constituie sursa de semnale. In natură, sursele nu generează semnale unice, ci ansambluri de semnale, care se transmit simultan sub formă de mesaje, ce reprezintă totalitatea informaţiei generate de sursă la un anumit moment de timp.

Semnalul este reprezentat de orice variaţie a unei mărimi fizice (parametru de stare)

de la nivelul sursei. După modul de variaţie, semnalele pot fi discrete (sau discontinue) şi continue. Cel mai simplu sistem de transmitere a informaţiei (cel mai simplu sistem de comunicaţie) constă dintr-o sursă de semnale, un canal de comunicaţie (mediul fizic prin care se transmit semnalele) şi un destinatar al semnalului, receptor.

Mesajele, ca grupări de semnale, sunt entităţile purtătoare de informaţie. În urma recepţionării lor de către destinatar se înlătură incertitudina existentă anterior în legătură cu starea sursei. Pentru a înţelege mai bine acest proces trebuie să observăm, cu titlu general, că înlăturarea tuturor nedeterminărilor reprezintă tocmai sensul procesului de adaptare a sistemului biocibernetic receptor. Un sistem biocibernetic, aflat în interacţie cu mediul exterior, poate deveni fie sursă fie receptor la un anumit moment de timp, în funcţie de necesităţile procesului de adaptare, pentru asigurarea integrităţii structurale a sistemului şi creşterea şanselor de supravieţuire.

In cazul semnalelor discrete se utilizează un număr finit de semnale diferite între ele care se numesc litere (de ex. impulsuri electrice, semnale optice, semne grafice etc). Totalitatea literelor de aceeaşi natură utilizate la formarea mesajelor transmise formează un alfabet, iar corespondenţa dintre literele a două alfabete reprezintă un cod.

Pentru a evalua cantitativ caracteristicile unei surse de semnale este necesar să introducem noţiunea de cantitate de informaţie. Pentru a stabili care este cantitatea de informaţie pe care o poate furniza un semnal (literă) sau un mesaj (secvenţă de semnale simultane de aceeaşi natură), vom considera că sursa generează

evenimentele întrun mod care nu este dinainte cunoscut (de ex. extragerea de bile colorate dintr-o urnă închisă, h reprezentând numărul de culori posibile). Să presupunem că evenimentul pe care dorim să îl urmărim (semnalul) este reprezentat de extragerea bilei albe, de exemplu. Astfel, după N extrageri, bila albă este întâlnită de na ori. Frecvenţa relativă de apariţie a unei bilei albe este dată de:

N

nf a

a (3.1)

Prin definiţie, probabilitatea (pa) de apariţie a bilei albe se va exprima prin:

N

np a

Na

lim (3.2)

Dacă această probabilitate de apariţie este aproape de valoarea maximă 1, putem aprecia că extragerea unei bile albe din urnă este previzibilă, gradul de surpriză la apariţia ei fiind redus, neexistând deci nici o nedeterminare cu privire la apariţie acesteia. Prin repetarea extragerilor, se poate constata, de exemplu, că bila de culoare neagră, apare mult mai rar, iar probabilitatea calculată în acest caz este aproape de valoarea minimă zero. Astfel, apariţia bilei negre va reprezenta un eveniment mai “neobişnuit” şi mai puţin anticipat, mai nedeterminat. Cantitatea de informaţie la apariţia acestui eveniment va fi, deci, mai mare, pentru că este corelată cu probabilitatea de producere a evenimentului, însă în sens invers. Altfel spus, producerea unui eveniment puţin probabil generează o cantitate mare de informaţie, iar a unuia foarte probabil, o cantitate mică de informaţie.

Astfel, dacă se notează cu I cantitatea de informaţie corespunzătoare apariţiei unei bile de o anumită culoare, se poate spune că:

Ip = f (1/p) (3.3)

Când numărul de evenimente posibile este h = 1 (în urnă există numai bile roşii, de exemplu), atunci singurul mesaj pe care-l putem obţine este “bilă roşie”, iar probabilitatea de apariţie este maximă: p = 1. Deoarece apariţia bilei roşii este determinată (certă), acest mesaj nu furnizează nici o informaţie, deci I1 = 0. Astfel, observăm că, pentru ca apariţia unui eveniment să producă informaţie, este necesar

ca h, numărul de evenimente posibile, să cel puţin egal sau mai mare ca2.

Cea mai redusă cantitate de informaţie se obţine, deci, la producerea unui eveniment din 2 posibile şi egal probabile, ca de exemplu aruncarea banului, apariţia cifrei 1 sau 0 în mesajele binare, sau extragerea unei bile dintr-o urnă cu număr egal de bile de două feluri (albe şi negre, roşii şi albastre etc).

Exprimarea untităţii de informaţie se face printr-o relaţie logaritmică în care logaritmul este în baza 2:

pp

I 22 log1

log (3.4)

unitatea de măsură a cantităţii de informaţie este bit-ul (de la ”binary digit”), care reprezintă cantitatea de informaţie ce se obţine într-un experiment care are numai două rezultate posibile şi egal probabile (p = ½).

In relația (3.4) dacă înlocuim p cu ½ rezultă:

bitI 12log2

1log 22 (3.5)

Un multiplu al bit-ului este byte-ul sau octet-ul:

1 Byte = 8 bit = log2 28 = log2 256 (3.5’)

INFORMAŢIA MEDIE

Orice sursă de semnale generează o cantitate totală, maximă de informaţie. Pentru a caracteriza sursele de informaţie se utilizează însă o mărime numită “informaţia medie”. De exemplu, în cazul unei proteine formată din N aminoacizi, care pot fi de h feluri diferite în lanţul polipeptidic, apariţia fiecărui aminoacid, x, reprezintă un eveniment ce furnizează o cantitate de informaţie, I. Presupunem că de n1 ori s-a întâlnit aminoacidul x1, de n2 ori aminoacidul x2, ş.a.m.d. până la aminoacidul xh, care se întâlneşte de nh ori. Corespunzător, apariţia fiecărui aminoacid, x1, x2,...,xh, furnizează cantităţile de informaţie I1, I2,..., Ih. Se poate calcula informaţia medie pe care o furnizează proteina:

N

I n I n I n I

h h m

2 2 1 1

(3.6)

unde N = n1 + n2 + ... + nh, sau:

hh

m IN

nI

N

nI

N

nI 2

21

1

(3.7)

Pentru valori ale lui N suficient de mari, raportul N

ni (cu i = 1,2,...,h) reprezintă

probabilitatea de apariţie a fiecărui aminoacid din secvenţa proteică.

Deci:

I p I p I p Im h h 1 1 2 2 (3.8)

Cum I = -log p, rezultă:

I p p p p p pm h h 1 1 2 2log log log (3.9)

sau:

h

i

iim ppI1

log

(3.9’)

Pentru determinarea Im este suficient să cunoaştem h şi p.

In cazul în care probabilităţile de apariţie ale fiecărui aminoacid sunt egale, pi = 1/h,

rezută:

hhh

hhh

Ih

m log1

log)1

()1

log1

(1

(3.10)

In acest caz Im are valoare maximă. Dacă apariţia aminoacizilor nu este la fel de probabilă de la unul la celălalt, atunci Im are valoarea mai mică.

hI logmax (3.11)

Există o asemănare între relaţia de exprimare a Im şi relaţia lui Boltzmann de exprimare a entropiei termodinamice S = k ln P. Dacă un sistem termodinamic este alcătuit din N particule identice, dar având P (h) nivele energetice diferite, încât fiecărui nivel de energie i să-i corespundă ni particule, atunci entropia sistemului va fi:

N

n

N

nkS i

h

i

i log1

(3.12)

Când N , atunci N

ni pi astfel:

i

h

i

i ppkS log1

(3.13)

Pornind de la această asemănare, Shannon a numit informaţia medie, entropie informaţională și a notat-o cu H:

HIm (3.14)

Deosebirea dintre entropia informaţională şi cea termodinamică constă în faptul că entropia termodinamică măsoară gradul de dezordine din sistemul termodinamic, iar entropia informaţională gradul de organizare. Sistemul termodinamic evoluează spontan de la stări mai puţin probabile (conţinut de informaţie mai mare) la stări mai

probabile (conţinut de informaţie mai mic), astfel că informaţia medie scade cu creşterea entropiei termodinamice. Structurile ordonate tind să se degradeze spontan în timp, astfel că informaţia medie pe care o pot furniza se diminuează.

Formularea locală a principiului II al termodinamicii defineşte sursa de entropie într-un anumit loc al sistemului şi consideră posibilă existenţa unui proces cuplat care să decurgă cu scăderea entropiei. In acest loc, se produce o acumulare de ordine, deci o creştere a entropiei informaţionale a sistemului. Astfel de situaţii apar la cristalizarea solidelor, la procesele anabolice structurante (ex. sinteza de proteine) ale organismelor vii, animale sau vegetale, maşini automate artificiale etc.

O sursă de semnal cu evenimente egal probabile are un grad de incertitudine maxim, astfel că entropia sa informaţională a acesteia este maximă. Orice altă sursă care furnizează acelaşi număr de evenimente, fără a fi însă egal probabile, va avea entropie informaţională mai mică, dat fiind ca unele evenimente vor fi mai probabile deci mai putin incerte. Diferenţa dintre entropia informaţională maximă (teoretica) a unei surse şi entropia informaţională reală a aceleiaşi surse se numeşte redundanţă.

În procesele de transmitere a informaţiei, redundanţa este acea parte din informaţia totală transmisă, care nu contribuie la cantitatea de informaţie efectiv recepţionată de receptor, ci creşte doar şansa ca aceasta să fie corect recepţionată:

R = Hmax – H (3.15)

Se defineşte şi o redundanţă relativă:

RR

H

H H

H

H

Hr

max

max

max max

1

(3.16)

Rr este subunitară şi cu atât mai mică cu cât H este mai mare. Valoarea redundanţei este cu atât mai mare cu cât există mai multe corelaţii sau corespondenţe între mesajele generate de un experiment.

TRANSMITEREA INFORMAŢIEI

Revenim la schema unui sistem simplu de transmitere a informaţiei:

Sursa – generează informaţia, fiind caracterizată prin informaţia medie pe care o poate produce (de exemplu o fiinţă vie, un aparat, mediul exterior, o celulă receptoare etc);

Canalul – reprezintă mediul prin care se transmite informaţia. El se caracterizează printr-o anumită capacitate de transmitere, exprimată prin cantitatea de informaţie transmisă în unitatea de timp;

Destinatarul – primeşte informaţia şi se caracterizează prin viteza de recunoaştere a mesajului şi prin probabilitatea erorii în această recunoaştere.

Se constată că la destinatar semnalele primite nu sunt totdeauna identice cu cele emise, deoarece, pe de o parte, trecând prin diferitele elemente ale sistemului de comunicaţie ele îşi modifică forma şi, pe de altă parte, canalul de comunicaţie şi alte elemente care contribuie la transfer, produc sau captează perturbaţii de diferite forme, care se traduc sub formă de “zgomote” pe traseul de transmitere a informaţiei.

Transmiterea informaţiei la distanţă, în ciuda perturbaţiilor, este posibilă prin prelucrarea semnalelor. Aceasta presupune:

a) Codificarea - corespondenţa dintre alfabete (sursă-canal-destinatar);

b) Traducerea - transformarea unei mărimi fizice în altă mărime fizică prin intermediul unui traductor;

c) Modularea - construirea semnalelor necesare transmiterii mesajului prin modificarea unui parametru al mărimii fizice a semnalului. Astfel, putem întâlni:

modulare în frecvenţă, prin schimbarea frecvenţei semnalelor, amplitudinea lor rămânând constantă.

modulare în amplitudine, prin schimbarea amplitudinii semnalelor, frecvenţa lor rămânând constantă (Fig. 3.1).

Fig.3.1 – Moduarea mesajelor

Transmiterea semnalelor se poate realiza în două moduri:

1. în sistem digital (cifric sau numeric) – semnalele apar sub forma unor succesiuni de numere

2. în sistem analogic – semnalele se succed prin variaţia continuă a unui parametru fizic al sursei (a mărimii fizice).

Dispozitivele electronice care permit conversia automată a semnalelor analogice in semnale digitale in vederea prelucrarii lor pe computer se numesc interfețe analog-digitale.

Calculul informaţional arată că un caracter grafic dintr-un text poartă o informaţie medie de 8 bit, o pagină tipărită conţinând 1500-2500 de caractre are aproximativ

2104 bit.

Fluxul de informaţie reprezintă cantitatea de informaţie transmisă de sistemul cierneti în unitatea de timp. Vorbirea curentă generează un flux de 200 bit/s. Fluxul de informaţie recepţionat la nivelul retinei umane este evaluat ca fiind 1010 bit/s, din care aprox. 6·106 sunt transmisi pe calea nervilor optici (exista 106 fibre axonice la nivelul fiecărui nerv optic, iar fluxul de date printr-un axon este estimat la 3 bit/s). Din acest flux, numai 1000 bit/s sunt conştientizaţi, 10 bit/s sunt reţinuţi de memoria de scurtă durată şi numai 1 bit/s în cea de lungă durată.

Dintre exemplele biologice de canale de transmitere a informaţiei, menţionăm:

1) Canalul neuronal, ca sistem cibernetic, ce funcţionează în regim analogic cu modulare în amplitudine şi frecvenţă (a se vedea cursul despre biofizica

modulare în amplitudine

mesaj modulator

impulsuri nemodulate

modulare în frecvență

excitabilității celulare);

2) Transmiterea informaţiei genetice pentru sinteza proteinelor este redată în figura 3.2.

Fig.3.2 – Schema cibernetiă a procesului de transcripție genetică

In nucleul celulei are loc o transcripţie (copiere) a mesajului ADN (prin secvenţa bazelor azotate) într-un m-ARN (purtător de mesaj cod). Acest m-ARN migrează din nucleu în citosol, iar la nivelul ribozomilor se citeşte mesajul pe care-l poartă (este decodificat). Citirea mesajului se realizează printr-un t-ARN (de transfer) ce transportă un anumit aminoacid. Ordinea fixării t-ARN la nivelul ribozomului este impusă de tripletele de cod (codoni) specifice pentru fiecare tip de aminoacid (de exemplu, codonul UUU corespunde fenilalaninei, UGC - alaninei, UCG - argininei etc).

Transferul informaţiei de la m-ARN (acid ribonucleic de tip mesager) către proteine este mediat de moleculele de r-ARN (ribozomal) capabile să combine aminoacizii indicaţi de codoni – mesaje specifice ADN-ului nuclear ca sursă prrimordială de informație în sistemele biologice.

Ordinea fixării t-ARN determină, prin urmare, tipul de aminoacid şi secvenţa aminoacizilor din lanţul proteic sintetizat care, pe măsură ce se formează, este eliberat de la nivelul ribozomilor în citosol sau în reticulul endoplasmic.

Informaţia genetică este alcătuită din mesaje scrise în alfabetul de 4 litere: A, C, G, T, simbolurile bazelor azotate din compoziţia ADN (adenina, citozina, guanina, timina). Această informaţie este necesară în sinteza biochimică a proteinelor şi trebuie să fie tradusă în limbajul proteinelor bazat pe un alfabet de 20 de litere, reprezentate de aminoacizii esenţiali ce intră în compoziţia chimică a protinelor. Pentru ca traducerea să fie posibilă este necesar un cod, adică o corespondenţă între cele două alfabete. Un cuvânt (mesaj) din limbajul acizilor nucleici trebuie să corespundă unei litere din limbajul proteinelor.

Pentru a stabili condiţia numerică ce asigură acoperirea corespondenţelor dintre cele două alfabete, adică numărul minim de litere din alfabetul ADN pentru acoperirea codificării pentru cele 20 de litere ale alfabetului proteinelor, vom nota cu N numărul de combinaţii de cuvinte diferite ce pot fi formate din literele alfabetului ADN iar cu n numărul de litere alocate pentru cuvintele codului.

Dacă se dau valori crescătoare lui n, se poate găsi valorea ce asigură codificarea pentru a îndeplini condiţia ca N ≥ 20.

1. Dacă n = 1 (se pot forma numai cuvinte formate dintr-o singura litera: A, C, G sau T), atunci N = 41 = 4 < 20 (se pot codifica numai patru aminoacizi pentru sinteza de proteine, ceea ce este insuficient).

2. Dacă n = 2, atunci N = 42 = 16 < 20 (insuficient).

3. Dacă n = 3, atunci N = 43 = 64 > 20 (suficient).

ADN (sursă)

m-ARN (canal)

t-ARN (traductor)

r-ARN (receptor)

De aici deducem de ce este nevoie de triplete de cod (mesaje ADN formate din 3 litere) pentru codarea fiecărui tip de aminoacid din limbajul proteinelor. Dacă mai multe cuvinte de cod din limbajul ADN corespund unei singure litere din limbajul proteinelor (de ex. Alanina se poate coda cu tripletele CGU, GCC, GCA, GCG), se spune că acel triplet de cod este degenerat.

Cantitatea de informaţie cuprinsă în mesajele transmise poate să scadă datorită existenţei zgomotelor sau a perturbaţiilor apărute pe calea de transmitere. Aceste perturbații pot fi reprezentate de substanţe chimice care blochează replicarea ADN sau acţiunile nocive ale diferitelor tipuri de radiaţii ionizante, care denaturează structura ADN-ului nuclear. Drept urmare, se produc alterări ale secvenţei de ADN (mutaţii genetice) prin următoarele tipuri de modificări posibile:

substituţia unei baze azotate cu alta,

depleţia unei baze azotate,

inversarea unei secvențe de baze azotate.

O consecinţă majoră a modificării secvenţei bazelor azotate din mesajul genetic este alterarea structurii primare a proteinelor sintetizate.

Apariţia proteinelor anormale duce la tulburări ale funcţiilor normale celulare. De exemplu, hemoglobina anormală, în care acidul glutamic din poziţia 6 de pe lanţul ß este înlocuit de valină, declanșează boala numită anemie falciformă, denumire ce provine de la modificarea morfologiei eritrocitelor care capătă formă de halteră. Se cunosc peste 150 de hemoglobine anormale în raport cu diferitele substituţii de aminoacizi. Pot fi afectați aminoacizi importanți în stabilizarea structurii terţiare sau cuaternare a proteinei sau în asamblarea subunităților proteinei. Când defectul se produce în apropierea hemului, fixarea oxigenului se face anormal, cu reducerea drastică a aportului de oxigen în țesuturi.

SISTEME DE COMANDĂ CU REGLARE AUTOMATĂ

Un sistem în care o mărime de intrare aplicată unui element de execuţie generează o mărime de ieşire în funcţie de cea de intrare se numeşte sistem de comandă.

De exemplu, unitatea structurală a sistemului nervos este celula nervoasă sau neuronul. Aranjarea neuronilor în serie pentru a forma căi de conducere de lungime variabilă este realizată prin contiguitatea terminaţiei axonice a unei celule cu corpul sau prelungirea dendritică a alteia. Această conexiune funcţională este sinapsa. Sinapsa funcţionează ca un sistem de comandă (vezi cursul de bioexcitabilitate).

In afara mărimii de intrare, utilă pentru comanda mărimii de ieşire, apar în mod inevitabil mărimi secundare de intrare, perturbaţii care împiedică realizarea corectă a mărimii de ieşire.

Existenţa perturbaţiilor impune controlul permanent al modului în care se realizează mărimea de ieşire, orice abatere a acesteia trebuind imediat corectată. Pentru aceasta, se adaugă sistemului de comandă un dispozitiv de măsurare a mărimii de ieşire şi un dispozitiv de comparare a mărimii de ieşire reale cu cea optimă în vederea depistării erorilor. Un astfel de sistem realizat este un sistem de comandă cu reglare automată.

Se remarcă faptul că, într-un astfel de sistem, informaţia circulă nu numai de la

mărimea de intrare către cea de ieşire, ci şi în sens invers, realizând astfel o legătură inversă în cadrul sistemului de comandă.

De aceea, sistemele de comandă cu reglare automată se mai numesc şi sisteme cu legătură inversă (feedback). Legătura inversă este o retro-acţiune prin care mărimea de ieşire poate influenţa mărimea de intrare a elementului de execuţie.

Astfel de sisteme prezintă următoarele proprietăţi:

se adaptează activ la condiţiile neprevăzute de funcţionare;

combat efectul perturbaţiilor;

asigură o precizie înaltă a mărimii de ieşire;

Legătura inversă poate fi de două tipuri:

a) legătură inversă negativă şi

b) legătură inversă pozitivă.

Legătura inversă negativă este legătura care introduce o scădere a efectului provocat de semnalele aplicate la intrarea sistemului. Legătura inversă negativă se introduce ca să împiedice abaterile întâmplătoare care dereglează funcţionarea sistemului, adică să le amortizeze, contribuind la stabilizarea sistemului. Acest tip de legătură asigură, fie constanţa în timp a mărimii de ieşire, fie proporţionalitatea ei cu mărimea de intrare. Efectul acestei legături se obţine după prealabile oscilaţii care, dacă sunt mici, nu afectează stabilitatea sistemului.

Slăbirea legăturii inverse negative duce la amplificarea acestor oscilaţii, atât în sistemele tehnice cu autoreglare, cât şi în cele biologice.

Menţinerea constantă a parametrilor biologici (denumiţi şi constante biologice) reprezintă procesul de homeostazie care este realizat prin acţiunea legăturilor inverse negative din cadrul organismului. Acestea menţin toţi parametrii biologici precum temperatura normală a corpului (permit oscilaţii care nu depăşesc zecimile de grad), conţinutul de glucoză din sânge, conţinutul de acizi, baze, săruri etc.

Un alt exemplu este creşterea tensiunii arteriale provocată de o cauză oarecare ce determină, cu ajutorul legăturilor inverse negative reflexe, dilatarea vaselor de sânge.

Legătura inversă pozitivă acţionează în acelaşi sens cu abaterea produsă. Prin efectele sale, acest tip de legătură face ca o deviere într-un anumit sens a mărimii de ieşire să nu fie corectată ci, dimpotrivă, accentuată în mod continuu, până ce se ajunge într-o stare extremă. Dacă deviaţia iniţială este o creştere, mărimea de ieşire va ajunge la o valoare maximă posibilă pentru sistemul dat, pe care îl va distruge. Dacă însă deviaţia iniţială este o scădere de la normal, mărimea de ieşire va ajunge la o valoare minimă (se anulează), provocând blocarea sistemului.

O astfel de legătură generează instabilitatea sistemului cibernetic.

In numeroase cazuri, stările extreme la care poate ajunge sistemul sunt evitate ca urmare a două împrejurări care limitează efectele legăturii inverse pozitive:

apariţia la un moment dat a unei legături inverse negative ce stabilizează sistemul într-o nouă stare de echilibru dinamic;

transformarea sistemului într-un sistem calitativ diferit, o nouă stare de echilibru dinamic a sistemului, în care legătura inversă pozitivă îşi pierde semnificaţia. In aceste condiţii spunem că s-a produs o mutaţie.

Legătură inversă pozitivă apare ca “dăunătoare” într-un sistem care luptă prin mecanisme homeostatice pentru a face faţă condiţiilor variabile de mediu. Există situaţii însă, în care feedback-ul pozitiv este utilizat tocmai pentru ca sistemul să poată ieşi din starea de echilibru, ca de exemplu la iniţierea potenţialului de acţiune în membrana celulelor excitabile, permițând sistemului să inițieze un răspuns biologic specific.