БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
— класс сложных систем, обладающих рядом специфических особенностей, характеризующих жизнь: способностью расти и размножаться, реагировать на внешние воздействия и изменяться. Жизнь в Б. с. обеспечивается обменом веществ, комплексом физ.-хим. процессов и хим. реакциями синтеза и разложения, имеющих сложный циклический характер и ферментативную природу. Б. с. являются открытыми системами, которые получают извне вещества и энергию, и создают из них сложные структуры, обладающие более низкой энтропией, чем окружающий мир. Б. с. могут существовать только благодаря развитию специальных подсистем управления, регулирующих ферментативные реакции обмена веществ и всю жизнедеятельность организмов. Они обладают способностью воспринимать и перерабатывать информацию, вырабатывать управляющие (эффекторного характера) сигналы. I
Для описания Б. с. необходимы следующие понятия.
Элемент системы — наименьшая структурная единица, которая еще обладает чертами, выражающими гл. качество системы. I Напр., для сложного организма таким элементом будет клетка, т. к. ей присущи важнейшие качества жизни. Для популяции элементом будет особь с ее качествами, характеризующими поведение. Элемент Б. с. имеет сложную структуру и ф-ции.
Сложность структуры системы определяется количеством и разнообразием элементов и подсистем, которые условно можно разделить на рабочие и управляющие. Степень сложности систем в основном определяется развитием отдельных элементов и подсистем, а также самой системы, сформированной в иерархические «этажи».
Связи — это энергет. и вещественные взаимодействия систем и элементов. Физ. связи определяются непосредственным видом и Значимостью передаваемой энергии и вещества в балансе энергии элемента или системы-адресата. В информационных связях энергия используется лишь как носитель сигнала, управляющего деятельностью элемента или системы.
Для физ. связи важен вид и напряжение передаваемой энергии, а для информационной — код, т. е. тип сигналов, напр., молекула РНК, нервный импульс, слово или вещь. Связи делятся на внешние и внутренние. 1
Сложность деятельности Б. с. определяется числом условно выделенных ее функций (программ) и сложностью последних, что выражается к-вом функциональных актов или циклов, числом участвующих в них элементов и подсистем и протяженностью их во времени. Сложность ф-ций определяется к-вом информации, перерабатываемой внутри системы, т. е. к-вом сигналов и сложностью моделей.
Сложные отношения, в которых находятся между собой Б. с., носят иерархический
характер. Степень независимости одной системы от другой, более крупной системы, прибл. определяется ее жизнеспособностью при отключении от нее энерг. и информационных воздействий со стороны других подобных систем. С понятием сложных отношений связана степень упорядоченности системы или степень непротиворечивости деятельности ее подсистем и элементов, т. е. то, насколько частные ф-ции не мешают, не противодействуют друг другу. Повышение степени упорядоченности увеличивает устойчивость системы, но понижает способность к эволюции.
Более общим и широким понятием является уровень организации, под которым понимают тип структурных и функциональных отношений, определяющих в конечном счете жизнеспособность системы и ее способность к организации внеш. среды. Организация и упорядоченность системы не являются противоположными понятиями, т. к. при высоком уровне организации система может значительно меняться, а относительная гармония между частями при этом сохраняется. Это возможно благодаря развитию моделирующих способностей в сфере управления («уровень сознания»), позволяющих предусмотреть в моделях динамику изменения среды и самой системы для нахождения наилучших вариантов поведения.
Эволюция, т. е. усложнение системы и лучшая приспособленность к среде происходят по-разному: на уровне изменчивости элементов (напр., мутации) или путем целенаправленного изменения организации в сфере управления (напр., воспитание человека или совершенствование общества).
Классификация Б. с. носит условный характер, поскольку нет единого критерия для подразделений и всегда существуют промежуточные формы. Принятая в зоологии и ботанике система классификации не пригодна для рассмотрения Б. с. «в информационном» плане. Более целесообразным является разделение Б. с. на пять иерархических уровней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, популяции, биогеоценоз и биосфера.
Одноклеточные организмы — это огромное число видов микроорганизмов (микроплазмы, вирусы, бактерии, простейшие). Величина их колеблется от 0,1 до 100 мкм. Подсистемы — органоиды клетки — можно разделить на рабочие и управляющие. Клетка имеет сложное строение, в котором полужесткий скелет (оболочка, перегородки, каналы) сочетается с вмонтированными в него органоидами. Ф-ции клетки — обмен веществ, рост и размножение, реакции на внеш. раздражители в виде изменения обмена и формы движения — в общем виде характерны для всего живого. Все рабочие и управляющие ф-ции клетки поддерживаются за счет хим. процессов ферментативной природы — начиная от способа получения энергии и вплоть до синтеза новых структур или расщепления существующих.
Механизм управления клеткой — это сочетание дискретных процессов синтеза молекул белков — ферментов, необходимых для осуществления той или иной ф-ции, и непрерывных процессов изменения их активности в ходе выполнения регулируемых реакций. ДНК представляет собой модель клетки — ее структуры и функций. В ней, как и в памяти машины, записаны исходные данные задачи и программа ее решения. В ДНК спец. триплетным кодом записана структура всех нужных белков. Это занимает, по-видимому, приблизительно треть ее «памяти». Остальная часть занята «программой считывания», представленной «генами-регуляторами», ответственными за синтез спец. веществ-репрессоров, которые включают синтез нужного фермента только при поступлении от рабочих подсистем сигнала о готовности. Сигнал этот поступает в виде другого активного вещества — регулятора. Таким образом осуществляется выполнение этапов циклических ф-ций (напр., рост и деление) под контролем обратных связей. Синтез белков-ферментов осуществляется по этажной программе с регулируемыми звеньями: ДНК (ядро) — РНК (рибосомы) — белки — их перемещение к месту действия.
Усиление или торможение активности уже синтезированных ферментов осуществляется начальными и конечными продуктами соответствующих хим. реакций. В этом состоит второй механизм регулирования. Следовательно, и в этом случае действуют обратные связи, т. е., регулирование клетки можно представить себе в виде сложной сети, состоящей из «рабочих» и «регулирующих» дискретных и непрерывных хим. реакций. Протекание их характеризуют пространственные координаты (фиксация на «скелете» клетки) и концентрационно-временные характеристики, обеспечивающие циклические ф-ции (выделение) и непрерывные процессы обмена.
Уровень организации одноклеточных по сравнению с другими Б. с. невысок, хотя и не сравним ни с одной тех. системой по к-ву перерабатываемой управляющей информации. Новые приспособительные (адаптивные) программы здесь не вырабатываются в течение жизненного цикла, а создаются лишь в результате мутаций.
Степень упорядоченности, видимо, высокая, т. к. «периферия» — органоиды — имеют ограниченную «самостоятельность» в пределах регулирования действия ферментов, а структура жестко задана моделью в ДНК. Тем не менее изменения в отдельных генах ДНК — мутации, вызывающие небольшие отклонения в функционировании одного органоида, — переносятся другими генами за счет местного приспособления, т. е., имеется возможность для эволюции вида. Этому способствует быстрота размножения путем деления, позволяющая накапливать отдельные мелкие изменения в структуре и ф-циях. В результате этого возникают новые ф-ции.
Многоклеточные организмы проделали большой путь эволюции от губки до
человека. Они весьма разнообразны по размерам и сложности. Особенностями структуры является дифференциация клеток (мышечные, эпителиальные, соединительнотканные, половые), выражающаяся в усилении и усложнении какой-то одной ф-ции клетки за счет ослабления или даже исчезновения др. ф-ции. Напр., сократительная ф-ция в мышечной клетке усиливается за счет исчезновения ф-ции переваривания. Дифференцированные клетки, объединенные в органы и системы (рабочие и управляющие), обеспечивают соответствующие ф-ции всего организма. К «рабочим системам» относятся: пищеварительная, выделительная, дыхательная, сердечно-сосудистая, двигательная, ретикуло-эндотелиальная. Управляющими системами являются эндокринная и нервная. Т. о., в многоклеточном организме можно выделить три иерархических уровня структурной сложности: клеточный, органный и системный. В пределах каждого уровня есть свои подсистемы, которые тоже составляют иерархию.
Информационные связи в организме осуществляются через центр, нервную систему кодом нервных импульсов — и через кровь — кодом гормонов. Передача энергии и веществ идет контактно, через кровь и посредством сокращения мышц внутр. органов.
Функции многоклеточного организма описываются понятиями рефлекса и инстинкта. Инстинкт объединяет иерархию и сочетание рефлексов по времени, направленных на сохранение вида. Это своеобразная программа, состоящая из множества подпрограмм. Можно выделить два инстинкта — продолжение рода, состоящий из полового и родительского, и самосохранения — из пищевого и защитного. В программе инстинкта можно выделить две стороны: внешнюю деятельность — поведение, выражающееся у животных и человека сложным кодом двигательных актов, управляемых анимальной нервной системой и осуществляемых мышцами, и внутреннюю деятельность — выражающуюся в управляемом гомеостазисе, в сочетании ф-ций внутренних органов, управляемых эндокринной и вегетативной нервной системами и призванных энергетически обеспечить выполнение двигательных актов (см. Регулирующие системы организма).
Программы управления и регулирования, в общем виде «записаны» в ДНК, а подробно — в структуре формирующихся в процессе роста нервной и эндокринной систем, как взаимодействие наследственной информации (ДНК) с внеш. воздействиями. Взаимоотношения между внутренней и внешней частями программы (между поведением и гомеостазисом) таково: ведущей является, видимо, программа жизненного цикла (рост, созревание, размножение), заложенная в эндокринной системе. Стимулы от нее идут в анимальную нервную систему, настраивая и активизируя соответствующие сложные условные и безусловные рефлексы поведения — добывание пищи, поиск самки, воспитание детенышей. Сами рефлексы осуществляются в зависимости от раздражителей, получаемых извне. Регулирование гомеостазиса «подстраивается» под двигательные акты поведения и в то же время является для них обратной связью, т. к. энергетически ограничивает их. Т. о., существует схема с четырьмя взаимосвязанными звеньями и обратными связями.
В информационном плане индивидуальное развитие организма можно представить себе таким образом: в ДНК заложены модели всех специализированных клеток с их тонкой структурой и функцией. ДНК содержит также программы считывания специфической информации для клеток, т. е. собственно программу роста и созревания целого организма и всех его частей. Эта программа состоит из этапов, представленных отдельными кусками ДНК, в которых периоды созревания и прогрессирующей специализации клеток перемежаются с размножением. В ДНК заложены также регуляторы этапов, которые включаются с периферии факторами-инициаторами, появляющимися из совокупности размножающихся клеток. Индивидуальное развитие организма на ранней стадии приблизительно повторяет историю эволюции видов, однако с пропусками и со смещениями во времени. Рост и созревание организма происходит вследствие взаимодействия генетической программы, заложенной в ДНК, с влиянием внешней среды и ответами на него растущего организма. Т. о. среда влияет на формирование растущего организма, хотя и в ограниченных пределах. Уровень организации многоклеточных организмов неодинаков у разных видов. Чем сложнее организм, тем выше организация и упорядоченность.
Старение и умирание также необходимы для эволюции. Пока не существует единого мнения о механизмах старения. Предполагают, что планомерное ослабление некоторых ф-ций запрограммировано в генах так же, как и рост, и развитие. Однако, действительный процесс старения, видимо, является сочетанием программы старения с накоплением помех в виде ошибок в генетическом аппарате клеток и балластных хим. веществ внутри клеток и между ними. Помехи нарушают процессы регулирования, понижают способность противостоять болезням.
Биологический вид не следует рассматривать как систему, поскольку он не имеет четких границ во времени и пространстве и выражается в других системах — популяциях. Тем не менее можно говорить о законах формирования и изменения видов, изучаемых в генетике. Основой генетики является учение о мутациях и рекомбинациях как источниках новой генетической информации. При этом нужно учитывать, что в процессе реализации мутантной модели ДНК в организме все значительные изменения в генах делают организм нежизнеспособным, поскольку нарушают координацию между его частями. Однако, умеренные изменения в модели возможны благодаря значительной гибкости генетической
программы формирования, допускающей развитие организма ценой напряжения частных приспособительных механизмов. Так возникает генотип с рядом новых признаков — мутант. Правда, такие индивиды чаще всего бесплодны или имеют пониженную плодовитость, что приводит к быстрому вытеснению их из популяции более плодовитыми «нормальными» конкурентами. Поэтому новые виды могут возникать только тогда, когда благоприятные мутации и рекомбинации сочетаются с изменением внеш. условий. Происходит естественный отбор.
Если популяция с новыми ценными наследственными данными уже сформировалась, то в дальнейшем она распространяется и «дорабатывается» путем последующих мутаций и рекомбинаций, усиливающих новый ценный признак и уменьшающих то внутреннее напряжение приспособления, ценой которого происходило формирование организма по измененной генетической модели ДНК.
Популяцией наз. совокупность особей одного вида, объединенных местом и временем проживания, что дает им возможность общаться между собой. Основу популяций составляет число и частота генотипов — т. е. вариантов наборов генов (рецессивных и доминантных), заложенных в ДНК всей совокупности особей. Это определяет возможности популяции в борьбе за существование и перспективы ее эволюции.
Элементом популяции является особь (фенотип) — животное или растение с его признаками — структурными и функциональными особенностями. Подсистемами популяции являются семьи и стаи. Структура популяции может иметь различную подвижность и ограниченную сложность, которые определяются разнообразием и характером связей, тесно зависящих от развития коры мозга. Связи внутри системы бывают физические (непосредственные физ. воздействия особей друг на друга посредством движения) и информационные (обмен сигналами — звуками, позами, мимикой), которые отражают прямые воздействия. Степень сложности и богатство сигналов определяются развитием коры мозга. Трудно выделить программы, относящиеся собственно к популяции. Она живет инстинктами особей как элементов системы. Только у высших животных с хорошо организованной стаей появляются свои законы сообщества, существенно влияющие на жизнь индивидуумов.
Биогеоценоз — система, состоящая из популяций отдельных биол. видов, объединенных общностью географ, и климат, условий. Элементами системы являются особи, подсистемами — семьи, стаи и популяции. Связи бывают прямые — физические и информационные (сигналы) и непрямые — через неживую природу и низшие биол. виды. Степень организации системы низкая и повышается только в результате воздействий человека. Упорядоченность ее тоже низкая. Система существует при постоянной межвидовой и, частично, внутривидовой борьбе.
Биосфера — это соиокупность всего живого на планете.
О Б. с. известно пока очень немного. Чтобы повысить эффективность управления Б. с., необходимо углублять исследования не только традиционными методами, но и путем изучения количественных моделей, создаваемых кибернетикой биологической. Н. М Амосов
