книги / Системный подход в современной науке

де всего произойдет регенерация побегов. Более того, даже пропор­ ции между разными составляющими колонии восстанавливаются. Полученные результаты позволяют развеять иллюзию относительно принципиального отличия низших организмов, переносящих расчле­ нение организма на части, от высших, у которых отделенные части нежизнеспособны. Различие оказывается не в целостности, а в спо­ собности к регенерации недостающих частей целого организма.

Дублирование частей (или полимеризация гомологичных органов) имеет выдающееся значение для живого на всех уровнях его органи­ зации. Эта способность не только страхует от возможных утрат от­ дельных частей организма и не только служит усилению структур и функций, но и ведет к образованию в процессе эволюции более вы­ соких уровней организации, является обязательным условием цело­ стности сложных биологических систем.

Особь может не только терять, но и включать в себя новые части. Например, в случае прививок черенков на растения или при имплан­ тации тканей и органов у животных. Однако приживаемые части должны быть либо родственными, либо приспособившимися в тече­ ние длительной эволюции к совместному существованию, либо, на­ конец, специально приспособленными человеком для этого.

Создать (синтезировать) особь, как об этом мечтали в средние ве­ ка, смешивая различные субстанции в колбе, невозможно. Целост­ ность индивида возникала в течение всей эволюции живого на Зем­ ле. Ясно, что колониальный уровень индивидуальности не возник из интеграции независимых зооидов. Сомнительно, чтобы многоклеточ­ ный уровень индивидуальности мог возникнуть путем объединения независимых клеток.

В современной биологии накопилось много фактов, свидетельст­ вующих в пользу симбиотической природы клетки. Например, мито­ хондрии, скорее всего, когда-то были самостоятельными организма­ ми, длительное время паразитировавшими в клетках. Существует ги­ потеза, что и клеточное ядро — основа эукариотической клетки — всего лишь пришелец. Заметим, что и в этом случае клетка не воз­ никла в процессе соединения различных самостоятельных частей. Органеллы были инкорпорированы в существовавшую до этого це­ лостную структуру. Они, безусловно, претерпели значительные изме­ нения за длительный период симбиотического сосуществования.

Среди современных организмов можно найти яркие примеры да­ леко зашедшего симбиоза. Так, у многих водных беспозвоночных —

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.

Принцип 2: Одинаковые элементы («полимеры») целого должны действовать на основе однотипных внутренних программ.

Принцип 3: Согласование во времени однотипных программ по­ лимеров, необходимое для реализации взаимосодействия частей и порождающее удивительный феномен целостности, может быть обеспечено периодическими корректировками старта одинаковых процессов (например, разовыми сдвигами фаз пульсаций отдельных верхушек роста в распределительной системе гидроидов).

Принцип 4: Внутренняя дифференцировка системы достигается на основе переключений программно определенных функциональ­ ных состояний подсистем, происходящих в индивидуальном развитии или при периодических взаимных корректировках.

Принцип 5: Устойчивая целостность системы, находящейся в не­ равновесном состоянии, обеспечивается, во-первых, за счет изна­ чального тождества однотипных элементов; и во-вторых, за счет вза­ имной дополнительности неодинаковых элементов, на чем основана интеграция системы, которая возрастает по мере усиления степени дифференцировки целого.

Многократное структурное дублирование свойственно живо­ му на всех уровнях организации: молекулярном, клеточном, много­ клеточном, популяционном, экосистемном, биосферном. На всеоб­ щее значение полимеризации как основополагающего явления ука­ зывали множество раз. Тем не менее значение полимеризации не ограничивается а) увеличением надежности системы благодаря дублированию и б)возможностью прогрессивной дифференциров­ ки (специализации первоначально однотипных частей), на что в ос­ новном и обращают внимание. Мы полагаем, что не менее важное значение биологической полимеризации заключается в снижении роли каждого отдельного элемента путем увеличения числа иден­ тичных элементов. Таким образом, результат деятельности органа достигается суммированием активности множества равнозначных элементов (таких, как клетки или зооиды). Ошибки и сбои в работе отдельных элементов взаимно нейтрализуются. Это позволяет по­ низить требования к точности воспроизводства программы или ре­ акции на изменения среды. Взаимосогласование осуществляется в таком случае по принципу: «эффект воздействия элемента на дру­ гие составляющие системы возрастает по мере совпадения с пре­ обладающим суммарным воздействием всей совокупности одно­ именных элементов»9.