книги / Системный подход в современной науке

А.Е. Седов

ЧАСТИ И ЦЕЛОЕ В БИОСИСТЕМАХ: ЧЕГО НЕ ЗНАЛ Л. ФОН БЕРТАЛАНФИ

Цель данной работы — постановка общего круга функциональных задач, охватывающих разные комбинации структурных уровней био­ систем и при этом логически сходных. Её предметными областями должны стать генетика, биология развития, экология и биоценология, концепции эволюции. Ниже сформулированы такие конкретные био­ логические задачи и предложен путь их решения — межуровневые аналоги, опирающиеся на биосемиотический историко-биологичес­ кий подход.

Философские термины «холизм» и «редукционизм» нам, биоло­ гам, необходимы, но явно недостаточны, так как наши объекты — это многоуровневые иерархии: структурные, функциональные и класси­ фикационные, причем в этих трех аспектах какая-либо одна и та же биосистема представима неизоморфными графиками.

Сколько структурных уровней можно выявить в биосистемах? По Н.В. Тимофееву-Ресовскому — 41, по Р.Л. Берг — 82; анализ терми­ нов генетики показал, что даже лишь в генетических системах их 93. Каждая из этих шкал уровней по-своему логична; суть всех наиболее фундаментальных биологических метапроблем — это конкретные взаимодействия между уровнями. Так, даже для двухуровневых сис­ тем «ген — хромосома» анализом метафор в монографии Р.Б. Хесина выявлен как впервые описанный Стёртевантом еще в 1925 г. «хо­ листический» эффект положения, так и еще никем не названный «ре­ дукционистский» метафеномен — дестабилизация различных целых геномов в результате перемещений лишь для некоторых их мобиль­ ных элементов.

Известно, что применение классической теории информации в биологии не решало проблем семантического веса (ценности) того или иного элемента в контексте той или иной системы4. Интересный количественный подход к этому с соответствующими формулами предложил в 1970-80-х годах наш соотечественник, биофизик М.В. Волькенштейн — не только для биологических информационных

макромолекул, но даже для поэтических текстов (!). К сожалению, за рубежом эти работы практически не известны, хотя однажды они были опубликованы и на английском языке5.

Для биосистем различных структурных уровней типично то, что сре­ ди этих элементов есть как малозначимые, так и «ключевые» — типа «мал золотник, да дорог»: имея те же размеры, что и прочие элемен­ ты данного уровня, они чрезвычайно важны, а их повреждения приво­ дят к каскадам событий в духе английской песенки: «Не было гвоздя — подкова пропала...». Вот лишь несколько примеров разных уровней. Мутация в 8-м нуклеотиде (3-м кодоне) гена, кодирующего белок Ha­ ras, делает его онкогеном — развивается рак. Небольшие количества этанола выводят из строя сложнейший ансамбль макромолекул, сос­ тавляющих 100 миллиардов клеток мозга, — личность алкоголика дег­ радирует. Болезнь Альцгеймера зависит от мутаций всего лишь в трех генах, особенно — гена пресенилина; синтезируясь в избытке, белок бета-амилоид рвет синаптические связи, разрушая сложнейшие ин­ формационные сети мозга, и личность тоже стремительно деградиру­ ет. Интродукция в США всего лишь нескольких китайских каштанов, пораженных желтым трутовиком, уничтожила биоценозы — гигантские леса не устойчивых к нему американских зубчатых каштанов; подоб­ ные примеры — интродукция кроликов и кактуса опунции в Австралию (в Израиле, однако, опунция «скромно вписалась» в биоценозы), лиа­ ны пуэрарии и водяного гиацинта в США и т. д.6.

Смысл и ценность элемента могут быть обусловлены им самим и/или зависеть от контекста той или иной донорной и/или реципиентной системы. Так, с одной стороны, каждый триплет нуклеотидов ко­ дирует определенную аминокислоту или окончание синтеза белка; есть консенсусы — «ядра» для репликаторов и т. п. Однако вставка одного и того же олигонуклеотида в разные контексты — функцио­ нальные последовательности ДНК — приводит к разным последстви­ ям: в промотор — изменятся условия включения гена как целого (пол­ ное выключение или неконтролируемый синтез, или термоустойчи­ вость и т. п.); в белок — кодирующую часть — появление триплетов или изменение конформации (если эти аминокислоты — «неподходя­ щие»), или сдвиг рамки считывания и порча белка ниже вставки (ес­ ли число нуклеотидов во вставке не кратно 3); в интрон-экзонную гра­ ницу — дефект сплайсинга и увеличение и тоже порча белка из-за «экзонизации» интрона и т. п. Подобным же образом различны судь­ бы биоценозов Австралии и Израиля, в которые ввели опунций, а так­

же самих этих опунций, в зависимости от «контекстов» — предшест­ вовавших структур этих биоценозов. В целом феномены «текст— кон­ текст» — это предмет семиотики.

Здесь предлагается ввести для всех биологических явлений об­ щий термин: гетерологичные транспозиции (ГГ). В отличие, скажем, от симбиогенеза клеток эукариот, от соединения двух целых наборов генов при скрещиваниях близких видов или от интерградации целых фаун и флор Северной и Южной Америки — все ГТ характерны тем, что 1) перенесен лишь сложной биогенный элемент в еще более сложную биогенную систему; 2) каждый такой перенос антропогенен. Естественно, наиболее интересна совокупность самых гетерологич­ ных ситуаций с максимальными семантическими весами.

В целом история ГТ связана с историей преобразующей деятель­ ности человека, причем общий вектор из развития направлен «вглубь» — от макро- к микроуровням биосистем. В различных надорганизменных системах — это история интродукций видов в новые климаты, ландшафты и биоценозы; они происходили в течение всей человеческой истории, а особенно интенсивно — начиная с эпохи ве­ ликих географических открытий. В экспериментальной внутриорганизменной биологии — эмбриологии и биологии развития — это ис­ тория трансплантаций одних тканей органов на место других, с изу­ чением эмбриональной индукции, компетенции тканей, гистосовмес­ тимости и т. п., начатых в начале XX в., вплоть до трансплантаций имагинальных дисков насекомых, создания аллофенных химер мле­ копитающих (с 1960-х гг.), современных разработок по ксенотрансплантациям их органов и по клеточно-эмбриональному клонирова­ нию. В молекулярной генетике это история трансформации бактерий (Гриффитс, 1928; однако как аналитического исследовательского ме­ тода — лишь с 1970-х), а теперь и трансгеноза — в зиготы и разви­ вающиеся из них организмы эукариот, а также в их различные от­ дельные соматические ткани (начиная с 1980-х).

Покажем, что эти межуровневые аналогии могут стать полезны­ ми для исследователей-эмпириков. Сначала рассмотрим все типы возможных ситуаций на метафорическом, вполне семиотическом примере: гетерологичной транспозиции сложных смысловых струк­ тур — текстов. Допустим, фрагмент романа М. Булгакова «Мастер и Маргарита» вставлен в роман Л. Толстого «Война и мир». Метафо­ рой жизнеспособности будет осмысленное восприятие всего текста. Логически — возможны лишь три исхода.

Безусловно, все биотехнологии должны быть «прозрачными» для публики, и биоэтические алармисты должны быть «начеку». Однако это требует и их биологической образованности. Увы, с последним дело обстоит крайне скверно — и не только в нашем отечестве...

Надеюсь, предложенный здесь многоуровневый историко-семио­ тический подход к природным и создаваемым биосистемам будет востребован и коллегами, и прочими мыслящими читателями.

Отметим, что во многом он базируется на своеобразном — мно­ гоуровневом — стиле отечественных биологов-теоретиков.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Тимофеев-Ресовский Н.В. Некоторые проблемы радиационной биоценоло­ гию Свердловск, 1962.

2 Берг Р Л . Генетика и эволюция. Новосибирск, 1993. С. 250-262.

2 Седов А.Е. Иерархические концепции и междисциплинарные связи генети­ ки, запечатлённые в её метафорах: количественный и структурный анализ терми­ нов и высказываний // Науковедение, 2001. № 1.

4 Седов А.Е. Биоинформатика и биосемиотика: исторический путь от теории к практике // Годичная научная конференция ИИЕТ РАН 2000 г. М., 2000.

5Volkenstein M.V., Chernavskii D.S. Information and biology // J. Social. Biol. Struct. 1978. № 1.

6Небел Б. Наука об окружающей среде. В 2 т. М., 1993.

Б.А. Богатых

ПРИНЦИПЫ ФРАКТАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ПРОБЛЕМЫ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА

К настоящему времени трудности, сопровождающие исследова­ телей при решении проблем эволюционного процесса, требуют но­ вых подходов и концепций с учетом изменения и прогрессом наших знаний. Этому в определенной мере отвечает, на наш взгляд, хоро­ шо известное открытие прошлого века — множество Мандельброта (ММ), — получившее название фрактальной геометрии. Использова­ ние фрактальной геометрии в работе с биологическим материалом способно, по-видимому, разрешить ряд спорных и сложных проблем эволюции органического мира относительно его направленности, за­ программированности, а также позволит, на наш взгляд, выработать ряд методологических подходов в теоретической биологии.

Проблемы эволюционного процесса, как мы знаем, решались на ос­ нове альтернативных позиций. Так, главными постулатами эволюцион­ ной концепции Ч. Дарвина является монофилия, т. е. развитие организ­ мов из одной или немногих форм живого. Развитие при этом осуществ­ ляется на основе случайных вариаций и путем медленных небольших изменений этих форм, следовательно, множества наследственных ва­ риаций, которые идут по всем направлениям с последующей адаптив­ ной радиацией под контролем и при содействии естественного отбора (селекционизм). Наряду с этим повторность в этом многообразии, в ча­ стности, параллелизм и конвергенция, является частным случаем это­ го общего правила, так как параллельно или конвергентно проявляю­ щееся сходство возникает на общей генотипической основе и (или) в от­ вет на одинаково векторизованный отбор. Также, что особенно важно, эволюция состоит в образовании новых признаков, а не в развертыва­ нии тех или иных направленных задатков. Иными словами, эволюция, по Дарвину, — не направлена, её ход совершенно непредсказуем, а ес­ тественный отбор (тихогенез), по сути, производит такие формы, воз­ можность существования которых трудно предвидеть.

С другой стороны, Д. Лотци1 ещё в начале XX в., выдвинул аль­ тернативную концепцию, суть которой в том, что гены столь же по­ стоянны, как химические элементы и, следовательно, разнообразные эволюционные изменения организмов в течение многих веков обус­ ловлены гибридизацей уже существующих видов. Иными словами, новые виды создаются за счет новых комбинаций предшествующих наследственных задатков. К этой точке зрения близка концепция но­ могенеза Л.С. Берга2, согласно которой организмы развились из мно­ гих тысяч первичных форм. Само же их дальнейшее развитие, по Бергу, осуществлялось на основе закономерностей, объединяю­ щих массу особей, и при этом оно шло скачками (пароксизмами). Иными словами, источник многообразия органического мира — за­ коны эволюционных преобразований, что и находит выражение в па­ раллелизме и конвергенции. При этом естественный отбор в той или иной мере, ограничивая сферу деятельности этих законов, снижает многообразие организмов.

Другим косвенным моментом, указывающим на направленное развертывание наследственных задатков, является открытие так на­ зываемых генетических (ретровирусоподобных) мобильных элемен­ тов (ГМЭ), способных перемещаться в геноме и обусловливать часть спонтанных мутаций3. Причем выявлено, что локализация, т. е. встав­ ка ГМЭ в геноме клетки, в основном является не случайной, а направ­ ленной, как бы «предопределенной». Все это указывает на то, что

идетерминируемый ими мутационный, и, как следствие, эволюцион­ ный процессы также не случайны и направленны.

Как мы видим, в основе противопоставления тихогенеза (селекционизма) и номогенеза — отношение к источнику многообразия

иединообразия в органическом мире. Номогенезом во главу угла ста­ вятся нестатистические законы, имманентные развивающимся орга­ низмам законы эволюционных преобразований. Селекционизмом же признаются статистические законы, которым подчиняются как мута­ ции, так и требование адаптации, т. е. такого внешнего фактора, как отбор. Как отмечает С.В. Мейен4, существенных расхождений между селекционизмом и номогенезом нет до тех пор, пока они объясняют унаследование генотипических потенций организмов. Например, за­ коны корреляции органов или принцип компенсации, требующие как раз унаследования генотипических потенций. Когда же сходство воз­ никает на заведомо различной генотипической основе — начинают­ ся расхождения. Причем данное сходство селекционизм трактует как

конвергенцию, т. е. детерминируемое внешними агентами приспо­ собление. В свою очередь, номогенез, признавая конвергенцию, от­ водит внешним агентам лишь второстепенную роль.

Рассмотренные нами примеры показывают, что реальность самой сущности предмета (биологического знания) довольно часто прояв­ ляет себя в виде противоречия (как система противоречий), которое сначала предстает в форме противоположностей, выступая на уров­ не эмпирического знания как неразрешимая антиномия. Разрешение антиномии того или иного уровня эмпирического знания зачастую происходит не столько в рамках старых формул, или парадигм, как при видоизменении самого мышления, логики, что в конечном счете обеспечивает более глубокий уровень теоретического знания.

Нам представляется, что рассмотренные подходы, отражающие собой альтернативность точек зрения, сможет примирить лишь, как мы отметили выше, модель, учитывающая в своем анализе если не все, то многие аспекты многообразия мира. Именно этому требова­ нию, на наш взгляд, отвечает фрактальная геометрия (в различных проявлениях её архитектуры), причем в рамках подхода (принципа), который обеспечит целостность биологического знания.

Для системно-биологического подхода (принципа) важно понять, каким образом конкретная система взаимодействует с системами бо­ лее высокого порядка (уровня). Это наиболее наглядно выявляется при сопоставлении термина «системно-биологический» и «холисти­ ческий», ибо термин «системно-биологический» является более ём­ ким, чем термин «холистический». При холистическом подходе в принципе отсутствует необходимость выхода за пределы рассмат­ риваемой системы (например, часы, дом, самолет и т. д.). В то же вре­ мя для системно-биологического подхода (принципа) важно понять, каким образом конкретная система вещей взаимодействует с систе­ мами вещей более высокого порядка. Другими словами, в понимании того, каким образом та или иная активность конкретной целостности вписывается в циклические процессы живого более высокого поряд­ ка, обеспечивая достижение максимального уровня развития. В свя­ зи с этим для системно-биологического подхода (принципа) основной упор делается на те аспекты, которые имеются у живых систем. Имен­ но эти аспекты обеспечивают их гармоничное существование и сосу­ ществование на различных уровнях в живом мире.

Принципы фрактальной геометрии

Говоря о природе фракталов, следует прежде всего отметить, что она позволяет устанавливать взаимозависимость между геометрия­ ми в различных масштабах, а именно: как микроскопическое поведе­ ние тех или иных систем связано с тем, что можно наблюдать в мак­ роскопическом масштабе. Иными словами, фрактальная геометрия (в различных проявлениях её архитектуры) позволяет открывать про­ стоту сложной структуры. Многообразие фракталов, содержащих множество виртуальных наборов, описывается довольно простой ма­ тематической формулой вида Zn+-j = Z^n + С. В данное уравнение подставляются просто числа, являющиеся координатами, опреде­ ляющими положение точки на плоскости. Эта формула — имеется ввиду ММ — является самым выдающимся фракталом, в котором за­ кодировано почти всё, если не всё многообразие природы.

В самом общем виде фрактальная геометрия содержит в себе не­ которого рода синтез двух процессов — динамичности и статистичности. Динамичность системы — это фундаментальное качество, так как именно оно связано с однозначной предсказуемостью, детерми­ нированностью развития тех или иных систем и процессов между точ­ ками выбора путей эволюции (точки бифуркации). Статистичность (стохастичность, случайность, т. е. сами точки бифуркации) — это фундаментальное качество относится к уровню элементного строе­ ния системы, где будут возникать различного рода мутации. Иными словами, в данной реальности, которой внутренне присуща динамич­ ность и статистичность, просматривается синтез позитивных элемен­ тов детерминистической и вероятностной картин мира, отражая со­ бой в этом специфическом единстве противоположностей самораз­ витие органического мира.

Можно сказать, что фрактальная геометрия, сочетая в себе дина­ мичность и статистичность, диалектически отражает соотносящиеся необходимость и случайность, которые четко просматриваются и в номогенетическом, и тихогенетическом аспеках. Существенным здесь является то, что эти взаимосвязанные, всепроникающие и не существующие друг без друга диалектические противоположности фрактальная геометрия позволяет увидеть в виде игры разнообраз­ ных симметрий в компьютерном варианте, в своеобразных геометри­ ческих фигурах (геометризация пространства). Иными словами, ком­ пьютер позволяет увидеть нам фрактал как отражение хаоса в рабо­

те, где под хаосом подразумевается процесс не столько разрушения, сколько созидания структуры (системы) на базе комбинативного со­ четания специфических компонентов, например живого и среды.

Отражаемое фрактальной геометрией саморазвитие органичес­ кого мира имеет ещё один весьма важный момент, а именно прояв­ ления тех или иных принципов самоорганизации. В частности, как по­ казал анализ самоорганизующихся систем, в некоторых их точках, как пишет С.П. Курдюмов, «процессы идут так, как они шли во всем объеме системы в прошлом, а в некоторых — так, какими еще толь­ ко им предстоит протекать в будущем во всей структуре. В то же вре­ мя все эти участки существуют в настоящем. Это не просто рассуж­ дение, но вполне точный математический результат»5. Здесь про­ шлое временит настоящее и будущее, метафора которого просмат­ ривается во многих древних учениях, где философы развивали идеи о непроявленных, потенциальных формах, скрытых в едином начале. Иными словами, такого рода композиции настоящего, прошлого и бу­ дущего в их одновременном проявлении характерны прежде всего для процессов саморазвития с их способностью выявлять скрытые потенции самоорганизующихся систем6.

Следует особо отметить, и мы этому уделим наибольшее внима­ ние, что наряду с отображением формы объектов неорганической природы ММ в первую очередь как-то связано именно с органичес­ кой жизнью, с живыми объектами. Детальный и всесторонний анализ природы объектов, основанных на том или ином фрактальном прин­ ципе, потребует от нас более глубокого рассмотрения основных прин­ ципов, закономерностей и особенностей фрактальной геометрии, а также таких, например, её проявлений, как фрактально-кластерная архитектура, которая будет более подробно рассмотрена далее.

Трудно выразить природу объектов с помощью фрактальной гео­ метрии. Но именно покинув прочную основу обычной традиционной (эвклидианской) геометрии, мы попадаем в зоопарк фрактальных объектов во всем их разнообразии и представительстве, отражаю­ щих собой ту или иную архитектуру. При этом следует отметить, что, по сути дела, фрактальная геометрия — это не столько новая концеп­ ция, сколько новый взгляд на довольно известные вещи. Иными сло­ вами, новое видение, перестройка восприятия, заставляющая иссле­ дователя по-новому видеть окружающий его мир. Причем фрактальность, проявляющаяся как в неживых, так и в живых объектах, по-ви- димому, отражает некую канализацию эволюции материи.