ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 279
Скачиваний: 2
особенно у кораллов — внутри клеток эндодермы живут симбиотиче ские одноклеточные растения — зооксантеллы. За счет их фотосин теза кораллы могут длительное время существовать без животной пищи, используя пригодные для их метаболизма конечные продукты обмена веществ зооксантелл. Последние, однако, не утеряли своей самостоятельности и могут покидать клетки организма-хозяина при неблагоприятных условиях.
Другой пример демонстрирует результат необратимого симбиоза: лишайники — это продукт далеко зашедшего срастания талломов грибов и водорослей. В этом случае грибы паразитируют на водорос лях, которые были тем целостным организмом, который включил в себя другой после длительного периода взаимной адаптации и пе рестройки.
Живое целое не появляется из соединения частей (не путать со слиянием мужской и женской половых клеток, которые сами по себе живут недолго) — оно всегда развивается из существующего цело го. Колониальные беспозвоночные — гидроиды, кораллы, мшанки, асцидии — исторически возникли на базе целостности полипа; по следний — на основе целостности оплодотворенного яйца. Так посте пенно можно дойти до целостности сложных органических молекул, и это не будет логическим завершением. Важно то, что каждый сле дующий акт конструктивного усложнения организации совершался в рамках уже существовавшей целостности. Следуя основным поло жениям эволюционной теории, можно предположить, что любые из менения жизнеспособной системы либо разрушали ее, если противо речили целостности, либо вписывались в гармоничное взаимодейст вие внутренних процессов и тогда способствовали развитию и посте пенному усложнению системы с сохранением ее целостности.
В XX в. естественно-научный подход в наибольшей мере про явился в развитии общей теории систем, которая искала причины це лостности в законах управления системами.
Общая теория систем сформировалась в 50-е годы XX в. как меж дисциплинарная концепция, исходившая из признания изоморфизма законов природы. Были разработаны особая методология и приемы сопоставимого описания структуры любых систем и происходящих в них процессов на едином формальном языке с использованием по нятий теории информации, теории множеств, теории автоматов и дру гих достижений математики. Появление общей теории систем было
воспринято в научном мире с большим воодушевлением, так как в по слевоенный период получили развитие новые прикладные науки, та кие, как кибернетика, информатика, бионика, робототехника и пр. Ка залось, что, разрабатывая общую теорию систем, удастся достичь глобального обобщения всех знаний и перевести их на единый язык.
Однако этого не произошло. С точки зрения возможностей описа ния целостности биологических объектов, мне представляется, что системные исследования пошли по ложному пути теоретического конструирования саморазвивающихся автоматов. Главное место в этом направлении получили приемы централизованного управле ния сложной системой.
На первый взгляд казалось, что и в живой природе высокий уро вень интеграции организма достигается главным образом за счет центральной нервной системы и гуморальных регуляций, тесно свя занных с последней. Недаром там, где нервная система отсутствует (например, у растений или в экосистемах), уровень целостности ока зывается существенно ниже, что выражается в меньшем числе при сущих им признаков целостности. Тем не менее управляющие конту ры, включающие информацию о состоянии, команды и реакции, ока зываются не единственным и даже не главным механизмом поддер жания целостности.
Еще Бертапанфи обратил внимание на три варианта поддержа ния целостности систем:
—динамическое взаимодействие частей (эквифинальные систе
мы);
—система обратных связей;
—гомеостат Эшби (система достигает устойчивого состояния пу тем проб и ошибок).
Впростейших из этих систем (первый тип) отсутствуют регулятор ные механизмы. Второй тип обладает регуляторными механизмами, такими, как нервная и эндокринная система органов. Третий тип ос нован на процессе обучения.
И.И.Шмальгаузен также выделил три типа интеграции, соотне сенные с тремя видами целостных систем. В ранних работах они на зывались системами с а) геномными, б) морфогенетическими, в) эргонтическими корреляциями. Позднее они были определены им как:
—элементарные системы клеточной регуляции;
—системы органо-типической регуляции;
—охватывающие системы регуляции всего организма в целом.
Или в другой терминологии:
—программное регулирование — эволюционно выработанное со ответствие друг другу автономных частей;
—элементарный регуляторный механизм — корреляция при по мощи градиентов интенсивности процессов, что приводит к различ ному функционированию однотипных частей, находящихся в облас тях с различной интенсивностью градиента воздействия, т. е. к дифференцировке целого с сохранением его интеграции, так как гради ентом «указывается» соотношение частей, устанавливается порядок;
—сложный регуляторный механизм основывается на системах обратных связей, совпадая со вторым типом регуляций по Л. Берталанфи.
Лидирующую роль и механизмы простейших форм регуляции це лостности организма долгое время не удавалось установить. Интере сующиеся системными вопросами исследователи в основном увле кались расшифровкой эргонтических корреляций, основанных на си стемах обратных связей. Помимо этой причины была и другая — сложность выбора объекта исследования, лишенного высших форм регуляции.
Успех исследования целостности биологической системы во мно гом зависит от выбора удачного объекта. Казалось бы, выбор велик: любой организм многочисленных растений и животных — прекрас ное выражение несводимости целого к сумме свойств составляющих его частей. Однако внутренняя взаимозависимость процессов и вза имосвязанность частей столь велика, что существующими у науки средствами невозможно уследить сразу за всеми или хотя бы за глав ными из них. Уровень обычного организма оказывается слишком сложным и «слишком» целостным для познания. Не выручают и од ноклеточные организмы, которые также обладают всеми атрибутами сверхсложного строения организма, а их крошечные размеры лишь усложняют задачу экспериментального изучения согласованности внутренних процессов.
Если же выбрать в качестве объекта для изучения феномена це лостности не организм, а сообщества организмов — будь то популя ции или биоценозы, то на этом системном уровне целостность про является слишком слабо.
Между организмами и сообществами имеется некий промежуточ ный уровень организации, который представлен колониальными бес
позвоночными, такими, как губки, кораллы, гидроиды, мшанки и дру гие. Эти животные обладают единым телом, не то что колония мура вьев или пчел, и поэтому представляют собой особые организмы. Каждая колония происходит из одной оплодотворенной яйцеклетки. Однако тело колониальных беспозвоночных не столь слитно, как у одиночных организмов. В нем хорошо различимы многочисленные зооиды, весьма похожие на одиночных родственников. Например, в колонии гидроидов зооиды похожи на гидр, а в колонии кораллов на маленьких актиний. У некоторых видов зооиды могут быть специа лизированными на питании, размножении, защите. При всем этом ко лония оказывается состоящей всего из нескольких разновидностей частей, зато каждый компонент представлен во множестве. Такое строение порождает многократное дублирование всех функций. Сре ди колониальных беспозвоночных есть такие, у которых отсутствует общеколониальная нервная система. Целостность подобных колони альных организмов обеспечивается только программными и элемен тарными регуляциями. Среди них наиболее удачный объект — коло ниальные гидроиды.
Лишь в последнее время, когда были проведены специальные ис следования механизмов обеспечения слаженного развития простых колониальных организмов, у которых нет центральной нервной сис темой, удалось обнаружить, сколь совершенно и значимо для сохра нения органической целостности программное регулирование и по нять некоторые механизмы достижения столь сложной цели. Полу ченные выводы теперь можно назвать очевидными, так как описыва емые явления свойственны не только колониальным беспозвоноч ным, а встречаются повсеместно и были, как теперь понятно, у всех на виду, но до сих пор они не привлекали к себе внимания в контек сте проблемы целостности биологических систем.
В основе целостности любого объекта оказывается исходная вну тренняя согласованность процессов. Слаженность обеспечивается за счет 1) сходства протекающих в разных частях процессов, 2) синхрон ности происходящих в них со временем изменений, 3) сходной реак ции компонентов целого на внешние воздействия. Специальные регу ляции могут способствовать слаженности процессов жизнедеятельно сти в организме, но и без них организм остается вполне целостным.
Достаточно привести в пример эмбриональное развитие любого организма. Оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки, ко торые называются бластомерами. Те, в свою очередь, продолжают
делиться. Таким способом возникает комочек клеток — безусловно целостный, хотя никакие органы еще в нем не выражены. Последую щее развитие выглядит как чудо, как запрограммированный автома тический процесс. У многих многоклеточных животных «комочек» превращается в полый шарик (бластулу). Потом с одной стороны ша рик начинает проминаться внутрь — получается двухслойная гаструла. В то же время клетки в зародыше уже различаются и формой, и своими будущими свойствами. Затем образуются органы и нарас тает специализация тканей. Все это время — от яйцеклетки до позд них стадий развития зародыша — целостность основывается на син хронности и взаимной непротиворечивости процессов.
В организме высокая степень целостности обеспечивается благо даря генетическому единству всех составляющих его макромолекул, клеток и органов. Все они произошли от одной первичной клетки и по лучили необходимую для развития информацию от точно определен ного комплекта хромосом. Сколь это важно для успеха «бесконфликт ного» сосуществования множества клеток видно на противополож ном примере несовместимости тканей разных особей даже одного биологического вида. До сих пор это остается серьезной проблемой при пересадке органов и тканей.
Мультипликация макромолекул, а вслед за этим и клеток приво дит к формированию целостной структуры через производство по добных друг другу (по основным свойствам) частей.
Одновременно части могут испытывать дифференцировку, специа лизируясь на выполнении различных функций. Но как бы далеко эта дифференцировка ни зашла, все органы изначально оказываются сходными и однотипными по своим основным процессам и реакциям.
Тем не менее простой общности происхождения недостаточно для сохранения целостности организма в течение всей его жизни. Внут ри него происходит непрестанное взаимное подстраивание клеток и биологических процессов друг к другу. Среди множества однотип ных клеток или частей организма находятся более активные, к ритму которых подстраиваются остальные. Это позволяет синхронизиро вать процессы, добиться взаимной корреляции без сложных механиз мов центральной регуляции и обратной связи.
Нецентрализованная регуляция целостности основывается на том, что все составляющие целого действуют синхронно и стереотип но. Их ситуационная реакция имеет ограниченное число вариантов, которые определяются положением частей в системе.
Общая теория систем акцентировала внимание биологов на поис ках методологических условий познания целостности сложных биоло гических систем. В рамках этой теории получила развитие концепция иерархии уровней организации материи. Общая теория систем при влекла внимание исследователей к явлению самоорганизации, мало зависящему от материальной природы систем и специфики происхо дящих в них процессах, а в значительно большей мере подчиняюще муся правилам передачи и переработки информации. К сожалению, общая теория систем довольно быстро зашла в тупик. Причины за медления ее впечатляющего взлета вначале были непонятны, но те перь уже можно сказать, что одна из главных ошибок и одновремен но причин пробуксовывания кроется в самой методологии, а именно: безграничном приоритете жесткого детерминизма — стремлении точ но определить все операции и последовательно обрабатывать инфор мацию без учета большой роли стохастических процессов.
Благодаря достижениям кибернетики и по аналогии с работой ав томатических устройств, созданных человеком, долгое время счита лось, что главную роль в поддержании целостности должны играть конструктивно определенные схемы регуляции, основанные на об ратных связях и последовательных звеньях переработки информа ции. Если это так, то число взаимодействий и массив перерабатыва емой информации в любом организме практически не поддается уче ту и значительно превышает возможности самых совершенных со временных компьютеров.
Однако резонно задать вопросы: 1) как справляется система с пе реработкой столь огромного массива информации и 2) достаточно ли даже столь интенсивных потоков информации для обеспечения цело стности системы? На них нет пока окончательных ответов. Из теории и практики разработки автоматических устройств известно, что по мере увеличения числа контуров регуляции возрастает вероятность ошибок и сбоев. Сама сложность автоматов имеет поэтому некий предел.
Еще Эшби (1969) — один из основателей кибернетики — обращал внимание на опасность абсолютизации значения взаимных связей и регуляций внутри сложных систем. Он привел простой расчет воз можного количества комбинаций взаимодействий 400 лампочек меж ду собой. Оказалось, что этих взаимодействий такое огромное коли чество (Ю 10120), что они превосходят общее количество атомов, со держащихся в видимой нами Вселенной (1073). Казалось бы, что уже
этих рассуждений достаточно для того, чтобы сделать вывод о воз можности существования иных способов достижения целостности, кроме всеобщего и непрерывного отслеживания состояния всех ком понентов, жесткого регулирования их функционирования. Однако ни сам Эшби, ни последователи общей теории систем не акцентирова ли на этом внимания, а если подобный вывод и был кем-то сделан, то его голос не был услышан.
Вот пример совершенно противоположного вывода на основе весьма схожих расчетов, проведенных В.Г. Горшковым. В теле чело века содержится более 1014 клеток. Каждая из них перерабатывает порядка 108 бит/с, что совпадает со скоростью переработки инфор мации компьютером середины 90-х годов. Следовательно, вместе они должны перерабатывать примерно 1022 бит/с. В то же время со вокупные информационные потоки на всех компьютерах мира в се редине 90-х годов не превышают 1016 бит/с. Из этого следует вывод, что «...ни на каких компьютерах никогда не удастся смоделировать работу живого человеческого организма и тем более функциониро вание биоты биосферы»5.
Этот вывод был бы справедлив только при условии, что основу са морегуляции целостности сложных биологических систем составля ют непрерывные взаимокорректировки невообразимого множества процессов.
Проведенные нами многосторонние исследования целостности колониальных организмов дают все основания считать, что не жест кая регуляция, а внутреннее (программное) единообразие, паралле лизм и синхронность процессов лежат в основе целостности сложных биологических систем, представляя самостоятельный механизм вну тренней согласованности процессов, который мы называем «нецен трализованным типом регуляции». Этот термин уже используется в современной кибернетической литературе6. Нецентрализованная регуляция целостности намного более экономична, чем централизо ванная. Она обходится без сверхинтенсивных информационных по токов, лавинообразно возрастающей трудоемкости их переработки и неизбежных при такой сложности сбоев в управлении.
Биологические системы принципиально отличаются от создавае мых людьми устройств прежде всего тем, что каждая часть (вплоть до клеточного уровня) может иметь собственную внутреннюю про грамму развития и реагирования на состояние окружающей среды. Это позволяет обходиться без множества контуров связи, совершен-
но необходимых в машинах и приборах, созданных на неживой осно ве. Любое изменение в работе самолета, телевизора или компьюте ра происходит в результате воздействия из «диспетчерского пункта», будь то воля человека или программа, заложенная создателями в не которых узлах устройства. Самопроизвольное изменение режима ра боты детали, как правило, связано с ее поломкой. Поэтому надеж ность конструкций, создаваемых людьми, зиждется на максимальной стабильности всех ее частей и агрегатов, соединенных строго опре деленным образом и управляемых путем передачи команд.
В биологических системах — организмах, биогеоценозах, биосфе ре — основные составляющие достаточно самостоятельны, т. е. об ладают всеми необходимыми алгоритмами и материальными усло виями для регуляции жизнедеятельности: обмена (круговорота) ве ществ, размножения и развития. Все части такой системы постоянно меняются. Трудно представить машину, в которой детали все время изменяются по форме, местоположению и виду активности. Но имен но таковы организмы, экосистемы и биосфера! Человечество только сейчас начало задумываться о конструировании подобных устройств. Поэтому столь важно изучать примеры самоорганизации биологиче ских систем, осуществляемой вне централизованной регуляции.
На примере низших беспозвоночных мы видим, что такого рода са морегуляция и самоорганизация возможны. В колониальном организ ме без участия нервной и гуморальной систем достигается эффектив ное соотношение различных типов частей (например: гидрантов и вер хушек роста), наиболее соответствующее условиям содержания7.
Саморегуляция основана на простом «переключении» алгоритма функционирования части в зависимости от состояния внешней и вну тренней среды. Периодическая разбалансировка в соотношении час тей лишь ускоряет их реакцию на происходящие «зашкаливания», что проявляется, например, в «выборе» либо в пользу образования ново го зачатка боковой ветви, либо остановки роста верхушки столона или побега. Никакие централизованные команды и точность их выполне ния не нужны для обеспечения пропорционального строения колонии.
Для достижения организменной целостности необходимо выпол нения следующих принципов8.
Принцип 1: Любая характерная часть системы представлена мно жеством однотипных элементов (в общем случае — клеток, а у мо дульных организмов — многоклеточных модулей), ни один из кото рых не имеет силы господствовать над остальными.