Системный анализ в биологии

Системный анализ в биологии

Системный анализ – это научная дисциплина, в которой изучаются проблемы принятия обоснованных решений относительно сложных систем. Под решением здесь понимается некоторый формализованный или неформализованный выбор одного из возможных вариантов достижения цели. Системный анализ, в частности, дает методики принятия решений, позволяющие целенаправленно отыскивать приемлемые решения, отбрасывая те из них, которые заведомо уступают другим. 

Системный анализ возник в ответ на требования практики, поставившей нас перед необходимостью изучать и проектировать сложные системы, управлять ими в условиях неполноты информации, ограниченности ресурсов, дефицита времени.[1] 

Хотя хронология науки относит момент зарождения теории систем и системного анализа (ТССА) к средине текущего столетия, тем не менее, можно понять, что ее возраст оставляет ровно столько, сколько существует Homo Sapiens. 

Другое дело, что по мере развитие науки, прежде всего — кибернетики, эта отрасль прикладной науки сформировалась в самостоятельный раздел. Ветви ТССА прослеживаются во всех “ведомственных кибернетиках”: биологической, медицинской, технической и экономической. В каждом случае объекты, составляющие систему, могут быть самого широкого диапазона — от живых существ в биологии до механизмов, компьютеров или каналов связи в технике. [2] 

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

Неудовлетворенность общим состоянием биологической теории не раз побуждала исследователей (и не только биологов по специальности) к попыткам построить различные варианты теоретической биологии или хотя бы наметить пути построения этой дисциплины. У авторов этих попыток нет единства в том, какой же должна быть теоретическая биология — должна ли она строиться по аналогии с теоретической физикой, или иметь явно выраженный математический характер («математическая биология»), или же она должна появиться в результате органического синтеза теории эволюции и теории наследственности. Сходятся они, пожалуй, лишь в одном — вследствие чрезвычайной сложности и многоуровневости явлений жизни раскрыть ее глубинные основы, ее специфику невозможно усилиями одних биологов; здесь необходим комплексный, междисциплинарный подход, использование принципов и методов различных наук. 

Несмотря на всю важность и плодотворность предпринятых усилий, явным успехом они до сих пор не увенчались. В арсенале научных дисциплин теоретическая биология в настоящее время отсутствует, и вряд ли сегодня можно с достаточной уверенностью очертить ее будущие контуры. Однако создание такой дисциплины — едва ли не самая важная из задач, стоящих ныне перед мировой наукой. Одни лишь экспериментальные исследования не раскроют загадку жизни, если в их основе не будет достаточно прочного теоретического фундамента. Интересная попытка обсудить пути построения теоретической биологии была предпринята недавно на совместном заседании — так называемом «Круглом столе» журналов «Вопросы философии» и «Журчала общей биологии». Эта встреча, как и можно было ожидать, выявила наличие значительных разногласий но обсуждаемому вопросу. Обнаружились не только сторонники, но и противники самого понятия «теоретическая биология». Один выступавшие были склонны отождествить предмет теоретической биологии с общей биологией, другие, противопоставляли последней «общую теорию жизни». Не было единства и в трактовке роли системных методов в развитии теоретической биологии: наряду с темп, для кого системные методы являются синонимом формального направления в разработке этой дисциплины, в дискуссии выступили и те, кто считает задачей системного подхода исследование содержательных проблем биологической теории. 

Мы далеки от стремления прогнозировать пути развития теоретической биологии. Как бы ни были важны дискуссии но философско-методологическим вопросам той или иной науки, далеко не каждое теоретическое обобщение, высказанное в ходе этих дискуссий, органически включается в содержание данной научной дисциплины. Наука нередко ищет свои пути ощупью, и лишь на определенной стадии развития она обнаруживает неодолимую потребность в методологической рефлексии. Трудно сказать, наступила ли такая стадия в развитии современной биологии, взятой как целое. В то же время, как справедливо отмечалось в обзоре упомянутого «Круглого стола», опубликованном в журнале «Вопросы философии», «... каждый раз, когда исследователи сталкиваются с различными способами представления действительности, они вынуждены пересматривать основные предпосылки и перспективы познания, что, в частности, является пролегоменами и к построению теоретической биологии». Именно в связи с оценкой таких предпосылок являются важными попытки выработки новых подходов и понятийных средств описания явлений жизни, предпринимаемые в рамках системных исследований. 

Отметим, что для исследователя, работающего в области методологии системного подхода, современные теоретические поиски в биологии представляют особый интерес. Движения в этих двух сферах научного знания испытывают взаимное влияние, иногда идут параллельно, иногда расходятся. Не ставя сейчас перед собой задачу подробно проанализировать эту связь, рассмотрим некоторые примеры использования системных принципов при разработке теоретических проблем биологии. 

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ СИСТЕМ К БИОЛОГИИ

Один из вариантов применения системных идей к анализу формирования современной картины органического мира разработан К. М. Хайловым. С его точки зрения, это формирование прошло ряд этапов, в ходе которых выкристаллизовалось само понятие «биологическая система» и была построена системная картина жизни. При этом существенно отметить, что вплоть до начала XX в. основным и по сути дела единственным объектом биологического исследования был организм. В соответствии с этим на первое место в биологии выдвинулась проблема разнообразия и целесообразности организмов. Выявление сходства в пределах разнообразия и положило начало первому периоду систематизации живой природы, т. е. построения концептуальных моделей живых систем. Однако ранние натуралисты-систематики не знали никаких реальных связей между организмами — ни генетических связей близкородственных организмов (перенос генетического материала в пределах вида), ни филогенетических связей отдаленных видов, ни тем более биоценотических связей. Поэтому единственное, на чем могла базироваться систематизация, — это морфологическое сходство организмов. Таким образом, первые представления о «системе» вида (и соответственно вся система живой природы) строились по принципу, чуждому связям. 

Но уже идея системы видов повлекла за собой значительные следствия. Если вид строился по принципу морфологического однообразия его элементов-индивидов, то система видов включала разнообразные элементы-виды. Наличие разнообразия видов привело к необходимости придать системе живой природы некоторый внутренний порядок. Виды были расположены по степени сложности, и это явилось интуитивным предвосхищением эволюционной идеи (поскольку такое расположение неизбежно должно было в общих чертах совпасть с эволюционным рядом). Развитие эволюционных представлений, базирующихся на принципе филогенетических связей растительных и животных организмов, привело к построению филогенетической системы живой природы. 

Органический мир впервые предстал перед исследователями как множество элементов (видов) с вполне определенными межэлементными связями. Правда, пока был обнаружен лишь один из типов связей, но уже казалось, что основные черты картины живой природы установлены достаточно полно. 

В действительности же, как отмечает К. М. Хайлов, эта картина была крайне неполна: во-первых, единственными ее элементами признавались индивид и вид — всего две из многих живых систем; во-вторых, ни индивид, ни вид сами не были изучены как живущие и функционирующие системы, т. е. как множество с разнообразием и актуальными связями элементов. Наконец, сама филогенетическая система видов построена не на актуальных (действующих) связях, а представляет собой как бы статический отпечаток уже совершившихся процессов развития. Поэтому из знания этой системы нельзя было вывести никаких представлений о таких существенных динамических свойствах живых систем, как внутреннее взаимодействие составляющих их элементов, регуляция, регенерация, устойчивость и т. п. 

Возможность изучения вида как подлинно живущей и функционирующей системы открылась лишь с переходом от представлений о морфологическом однообразии организмов вида к представлениям о генетическом разнообразии особей вида; от идеи «вид — простое множество» к идее «вид — множество с межорганизменными генетическими связями». Исходным моментом явился здесь анализ актуальных генетических связей, т. е. скрещивания особей друг с другом. Единицей деления стала менделевская популяция, и вид выступил как максимальная менделевская популяция (что весьма существенно контрастировало с прежним пониманием вида, выработанным в рамках морфологического подхода). Это позволило впервые в истории биологии увидеть образовании неорганизменного уровня, обладающие рядом свойств живого организма (способность к адаптивным реакциям, сохранение устойчивости в определенных пределах, т. е. «целесообразное» поведение). Выделение связи определенного типа и вычленение на ее основе актуально генетической системы вида дало возможность построить, новую системную картину живой природы, в которой место элементарной единицы занимал уже не индивид, а вид. Идею организмоцентризма сменила идея видоцентризма. 

Снова казалось, что биологическая реальность охвачена полностью. Однако в этой картине отсутствовали такие важные живые системы, как биоценозы — моновидовые и поливидовые сообщества организмов - и биогеоценозы (экосистемы). В отличие от организменной биологии классического периода в экологии, связь между экологическими элементами с самого начала стала предметом исследования. Как обнаружилось в начале XX в., эта связь выступает в двух различных формах — в форме связи разных организмов друг с другом и в форме связи организмов с факторами абиотической среды. Эти типы связи стали предметом двух взаимодополняющих направлений экологии — биоценологии и биогеоценологии. 

Взаимосвязанное развитие всех современных направлений биологического исследования приводит к ряду важных методологических уточнений, касающихся существа системного подхода в биологии. Согласно К. М. Хайлову, системный подход отражает растущее понимание того, что современная биология имеет дело не с одним, а с целым рядом объектов и уровней организации, каждый из которых занимает не менее важное положение в органической природе, чем организм. Это, естественно, влечет за собой крушение идеи «центризма», какой бы то ни было одной системы при построении целостной системной картины живой природы. Наконец, обнаруживается, что системная организация жизни является столь же важным ее аспектом, как и эволюция. 

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ БИОСИСТЕМ

Перейдем теперь к характеристике концепции Л. Л. Малиновского. Ее автор подчеркивает, что в настоящее время в теоретической биологии пробивает себе дорогу новое научное направление, ставящее вопросы о типах взаимодействий, об основных движущих силах явлений без их детализации, о системах элементов иногда и без подробной характеристики самих элементов. Это направление пока еще окончательно не конституировалось и выступает под разными названиями: общая теория биосистем, учение о биологических структурах, биокибернетика и т. п. Оно изучает взаимодействие в организмах и рассматривает не отдельные клетки, ткани, виды пли биохимические процессы, а их связи. 

Действительно, сравним таких животных, как мышь и кит. Разница в весе у них в 10 млн. раз, среда обитания и внешняя форма совершенно различны. Почти все процессы в организме мыши и кита различаются в количественном отношении, и все же план строения у них настолько общий, что их справедливо относят к одному классу млекопитающих. План строения настолько способствует приспособлению, что обеспечивает их жизнеспособность в чрезвычайно различных условиях и с очень разными количественными и отчасти качественными показателями. Этот пример хорошо иллюстрирует мысль Л. Л. Малиновского о том, что план строения и структура (архитектура) системы начинают становиться одной из центральных проблем теоретической биологии. 

Это новое направление еще слишком молодо, чтобы можно было вынести окончательные суждения об его эффективности. Однако следует подчеркнуть, что лежащие в его основании идеи уже сейчас помогают по-новому взглянуть на некоторые важные теоретические и практические проблемы. Попробуем показать это на ряде примеров, приводимых самим Л. Л. Малиновским. 

Подходя с изложенной точки зрения к наиболее общей классификации структуры биологических систем, автор выделяет два простейших крайних типа: дискретный, или корпускулярный, и жесткофиксированный. Системы первого типа в чистом виде состоят из единиц, практически не связанных друг с другом. Таковы особи одного вида и одного пола, клетки одной ткани, аллеломорфные парные гены; таковы же (с известными оговорками) и множественные органы в одном организме - пальцы на руках, зубы, однотипные дольки в печени и т. д.. Как правило, само по себе объединение множества однотипных единиц в подобную систему лишь незначительно повышает уровень их общей организации, по такие системы нередко обладают большой приспособительной ценностью, поскольку они отличаются большой пластичностью. Составляющие их единицы сравнительно взаимно независимы и подвижны и в силу этого способны к разнообразным перемещениям и комбинаторике. 

Противоположный тип систем характеризуется жесткофиксированными связями составляющих их звеньев, наличие или функция каждого из которых является необходимым условием функционирования всей системы. 

Жесткость связей понимается здесь не в механическом, а в организационном смысле, предполагающем строгую согласованность функций системы. Так, например, согласованы между собой последовательно этапы в эмбриональном развитии глаза, где из первичной нервной пластинки развивается глазной бокал, который в свою очередь индуцирует развитие хрусталика, и т. д. В нашем организме жестко связаны и взаимно дополняют друг друга центральная нервная система, система кровообращения, система пищеварения, система выделения и др.. Каждая из них необходима и не может быть заменена другой. Структуры такого типа могут весьма сильно повышать уровень организации систем по сравнению с тем, что имеется в отдельных составляющих их звеньях. Но в то же время такие системы оказываются гораздо менее гибкими и способными к перестройке, чем «корпускулярные» системы. 

Нужно оговориться, что системы этих двух крайних типов в чистом виде встречаются очень редко. Но формы, близкие к ним настолько, что в них выявляются свойственные данным типам закономерности, достаточно часты. При этом при переходе от низших уровней, лежащих на грани молекулярной биологии, но все более высоким уровням—клеточному, тканевому, организменному, видовому и т. д.— обнаруживается довольно правильное чередование этих двух типов организации: парные хромосомы (корпускулярность), взаимное дополнение ядра и клетки (жесткое отношение), клетки одной ткани (корпускулярность), взаимное дополнение тканей (жесткое отношение), множественные органы или их части (корпускулярность), соотношение систем органов (жесткие отношения), особи одного пола (корпускулярность), взаимное дополнение полов (жесткое отношение) и т. д. 

Это чередование нетрудно объяснить, если подойти к нему с точки зрения общих принципов структурной организации живых систем. Взаимодополняющие отношения звеньев внутри системы жесткого типа необходимы для повышения уровня организации и эффективности системы; однако они не обеспечивают необходимой гибкости и «живучести» системы. Поэтому такие жесткие системы дважды или многократно повторяются на следующем уровне, выступая уже как единицы корпускулярной системы. Этим обеспечивается и большая надежность, и количественная гибкость следующего уровня организации. Высокоразвитые системы в организме должны в какой-то степени отвечать требованиям разного рода: и гибкости, и экономичности, и координированности. Поскольку каждый тип простейших систем, обеспечивая один из этих свойств, автоматически исключает другие, постольку известные оптимальные сочетания. Достигаются чередованием обоих типов па разных уровнях организации. 

Однако возможен и другой путь, обеспечивающий оптимальное совмещение «корпускулярности» и «жесткости». Это такое строение системы, когда на одном уровне совмещаются некоторые черты обоих типов. Так, для филогенеза очень важно, чтобы эволюционное изменение одного органа не отражалось бы па других. Например, даже благоприятное изменение глазного бокала с большой вероятностью может нарушить совершенство хрусталика. Такое положение очень затрудняет свободную эволюцию более ранних в индивидуальном развитии органов (в данном случае бокала). С другой стороны, та же зависимость хрусталика от бокала имеет и приспособительное значение: ею обеспечивается то, что хрусталик всегда возникает именно перед бокалом, как это требуется для полноценного развития глаза. Требования к координированному развитию приходят здесь в противоречие с требованиями к эволюционной независимости органов, которая обеспечила бы возможность совершенствования каждого органа, не нарушая совершенства другого. Если координация достигается последовательной связью А — В — С — D — Е, то эволюционно независимым здесь является лишь последнее звено, поскольку от его изменений не зависит ни один предыдущий орган. Для полной эволюционной независимости было бы идеальным, если бы каждый орган развивался совершенно самостоятельно. Система была бы корпускулярной, и новый вариант каждого органа мог бы в новых поколениях замещать старый, не влияя на другие органы. 

Систему, оптимально совмещающую в себе оба достоинства крайних типов (независимость и координацию), А. А. Малиновский назвал «звездным» типом системы. Это такой тип, когда один орган А берет на себя прямую стимуляцию развития органов пли функции В и С и D и Е. Орган А оказывается тогда как бы в центре (разумеется, не в пространственно-геометрическом смысле, а остальные органы связаны с ним как луч со звездой. При таком типе взаимоотношении лишь один объединяющий другие признаки орган — наиболее ярко это выражено в системе желез внутренней секреции — оказывается эволюционно связанным, так как его изменение сразу отразилось бы на всех зависимых органах. И действительно, железы внутренней секреции чрезвычайно консервативны. Зато признаки, определяемые железой, все являются конечными в цепи зависимостей; поэтому они могут свободно эволюционировать и в результате резко различаются у разных видов. С гормоном половой железы у оленя связаны рога, у льва — грива, у птиц - характерное оперение и т. д. В то же время все признаки, определяемые одной железой, оказываются через нее тесно связанными между собой. Вокруг каждой железы группируются признаки одной и той же приспособительной направленности: вокруг половой — признаки, способствующие функции размножения, вокруг адреналовой системы — функции, мобилизующие возможности организма в острых ситуациях (бегство, борьба) и т. д. 

Таким образом, в случае «звездной» связи онтогенетическая координация достигается почти максимально, как и в жесткой системе, а эволюционная гибкость теряется только для одного звена — для центрального органа, объединяющего все другие. Этот тип достаточно широко распространен в живых системах. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы видим что уже выделение простейших типов организации живых существ помогает объяснить некоторые существенные особенности структуры и эволюции биологических организмов. Более того, из него вытекают и некоторые важные практические следствия. Одно из них базируется на представлении о корпускулярности механизма наследственности, т. е. той дискретности передачи наследственных признаков, которую противники генетики ставили в упрек этой науке. Известно, что в борьбе с вредителями и инфекциями обычно применяются антибиотики или инсектициды. Часто, применяя определенный инсектицид, получают среди уничтожаемых насекомых устойчивую к нему расу. Тогда приходится переходить к другому инсектициду и т. д. Таким образом, идет бесконечная борьба с перевесом, пожалуй, на стороне не человека, а его врага. Подобный подход к борьбе с вредными насекомыми неправилен, так как всегда существует достаточно большая вероятность приспособиться к одному инсектициду путем соответствующей единичной мутации. Когда же вид, таким образом, приспособится, то последующее размножение даст миллионы особей, и на их фойе применение нового инсектицида также может быть нейтрализовано повой мутацией, может дать новую расу, устойчивую уже к обоим ядам. Напротив, одновременное применение хотя бы только двух инсектицидов требует для выживания насекомого и создания устойчивой расы возникновения у одной особи одновременно двух полезных специфических мутаций, и к тому же прочно сцепленных, ибо если они разойдутся в потомстве, то все потомки, с одной только защищающей их мутацией, погибнут от второго яда, защиты от которого они лишились, потеряв вторую мутацию. Однако возникновение двух мутаций, одновременно защищающих каждая от одного из специфических ядов, да еще мутации сцепленных, явление практически невозможное. Поэтому, хотя это на первое время менее экономично, одновременное применение двух-трех разнотипных инсектицидов было бы чрезвычайно рентабельным, так как оно почти полностью гарантирует от возникновения устойчивых к ним рас насекомых. То же касается и применения антибиотиков. Два антибиотика или антибиотик плюс какой-то другой бактерицидный препарат, применяемые одновременно, а не последовательно, дали бы возможность избежать возникновения устойчивых рас микроорганизмов или сделать такое возникновение гораздо более редким. [3] 

Список литературы

1. Перегудов Ф. И, Тарасенко Ф. П. Введение в системный анализ. М. «Высшая школа», 1986г. 

2. Губанов В. А. Введение в системный анализ. Издательство ЛГУ, 1988г. 

3. Блауберг Н. В. Становление и сущность системного подхода. М. «Наука», 1983г