Системные исследования в биологии. Метод функциональных триад

Веселаго И.А. (dafira@mail.ru), Левина М.З.

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Часть I

Многие современные биологические исследования так или иначе затрагивают проблему организации живого объекта. Однако механизмы интеграции, системообразования, функционального единства биообъекта изучены весьма слабо. Понятие целостности обычно декларируется, но мало используется в реальном эксперименте и обсуждении результатов.

Исследователи, как правило, ограничиваются утверждением, что организм - это сложная система, основанная на взаимодействии отдельных ее компонентов, и продолжают применять традиционные методы без учета системных закономерностей. В организме ищутся отображения элементов внешней среды в виде специфических, присущих каждому типу воздействий функциональных и морфологических изменений субстрата. Не принимается во внимание принципиальное противоречие, лежащее в основе существования биологического объекта - противоречие между относительной статикой морфосубстрата и динамикой физиологических процессов, развивающихся на том же субстрате. При этом обучение, память, регуляция и т. д. являются следствием функциональных перестроек морфосубстрата, изменения функционирования отдельных его компонентов и системных взаимосвязей между ними.

Взяв за основу принцип интегративизма, мы разработали метод исследования динамической организации биологического объекта. Будучи компилятивным, он позволил применить достижения различных формальных теорий, в том числе теории систем, теории информации, теории алгоритмов и ряда других дисциплин для исследования функциональной и структурной организации биосистемы и ее адаптивных приспособлений к внешней среде.

Мы назвали разработанный нами метод исследования биологических систем методом функциональных триад. В его основе лежат понятия нескольких формальных теорий.

В теории систем введены понятия структуры системы, состоящей из блоков и различных связей между ними, и эквифинальности процесса в структуре. Особое значение придается типам связей, организационной структуре. Сами блоки, по сути, всегда гомогенны, свойства системы зависят от соотношений между блоками. В свое время теория систем не нашла прямого применения в биологии, именно в силу сугубой гетерогенности элементов биообъекта. Однако необходимость исследования организационных принципов биосистемы позволяет использовать основные положения и выводы теории систем.

Что касается гетерогенности блоков системы, ее пластичности и результативности, то здесь можно обратиться к функциональному анализу и теории алгоритмов. Функциональный анализ теоретически исследует возможность описания функции в виде процесса, сложенного из дискретных компонентов. Вычислимость функции, т.е. ее результативность, изучается на основе понятия алгоритма как последовательности гетерогенных процедур (блоков)

переработки входной информации, приводящей к качественно новому результату, не присущему каждому блоку в отдельности.

В кибернетике постулируется необходимость регуляции в системе. Регуляторные возможности системы и тем самым возможность ее адаптации к внешним воздействиям настолько важны, что должны быть обеспечены ее собственной организацией, а не наличием отдельного регуляторного блока. Только функциональные перестройки обеспечивают лабильность системы при различных внешних воздействиях.

Обратимся к эволюционным представлениям о системогенезе. Их суть заключается в единстве структурной и функциональной целостности биологической системы, в существовании разных типов корреляций, обеспечивающих целостность адаптивного функционирования в онто- и филогенезе биологической системы, во взаимной дифференцировке гетерогенных компонентов и связей системы в процессе развития и усложнения, в необходимости качественной переработки внешней для биологической системы информации. Многочисленные экспериментальные исследования в физиологии подтвердили положение о наличии в организме сложных морфофункциональных зависимостей между гетерогенными компонентами. Общая интеграция организма складывается на основе взаимосвязи физиологических процессов.

Каждая из теорий создавалась для решения своих специфических задач. Мы скомпилировали современные представления об организации биообъекта, чтобы разрешить три взаимосвязанные биологические проблемы. Первая - это проблема возникновения адаптивного функционирования на базе существующей морфоструктуры биообъекта, т.е. переход от статики субстрата к динамике функционирования. Вторая - это проблема изменения морфоструктуры в процессе длительного функционирования, т.е. переход от динамики функционирования к статике субстрата. И, наконец, третья проблема - это роль внешней среды в морфофункциональных преобразованиях биообъекта.

Разработанный нами метод базируется на понятии функциональной триады как модели соотношения статики морфосубстрата и динамики функционирования. Составными частями функциональной триады являются конструкция, активатор и целостное функционирование. Конструкция - это морфосубстрат, сложившийся в онтогенезе биосистемы, и относительно стабильный. Активатор - это гуморальная среда, состоящая из продуктов метаболизма функциональных компонентов биосистемы. Целостное функционирование - согласованная реакция компонентов биосистемы на внешний сигнал.

Морфосубстрат биообъекта является его конструктивной основой. Конструкция состоит из дифференцированных компонентов, между которыми существуют морфологические и биохимические взаимосвязи. Каждый компонент конструкции как часть морфосубстрата обладает структурными особенностями, определяющими физико-химические процессы, развивающиеся в нем. Это структурная и функциональная единица биосистемы, т.е. и статичный блок конструкции, и элементарная динамическая единица функционирования, процедура, обладающая собственной функцией и имеющая вход для восприятия сигнала от другого блока.

Биосистема содержит либо системно гетерогенные, либо системно гомогенные компоненты. Связи между системно гомогенными компонентами являются диффузными, ненаправленными, неспецифическими. Связи между системно гетерогенными компонентами -локализованные, направленные, специфические.

Анализ разнообразных биологических систем позволяет утверждать, что конструкции биосистем по роду компонентов и взаимоотношений между ними можно разделить на два типа. К первому типу относятся конструкции с гомогенными компонентами и диффузными

неспецифическими связями. Эти связи создаются за счет гуморального фактора, что исключает их жесткость и создает пластичность функционирования за счет доступности всем компонентам. Конструкции первого типа лежат в основе популяций, поэтому мы называем их популяционными.

Конструкциям второго типа присущи гетерогенные компоненты, между которыми установлены специфические направленные связи. Эти связи закреплены в морфосубстрате и являются частью конструкции. Конструкции второго типа присущи многоклеточным организмам. Конструкция биосистемы, специфика ее компонентов и их взаимосвязей определяет способ организации функционирования и внутрисистемных перестроек, т.е. характер адаптации и приспособления к внешним воздействиям.

Второй элемент триады, системный активатор, обеспечивает координацию и подготовку к функционированию компонентов конструкции для согласованной реакции на внешнее воздействие. Согласованное функционирование компонентов не означает единообразия реагирования, а лишь указывает на их взаимную регуляцию. Такая регуляция обеспечивается распространяющимися диффузно продуктами метаболитного обмена между отдельными составляющими конструкции, что приводит к их взаимодействию. Метаболиты образуют сложный комплекс внутрисистемных связей, осуществляющих дистанционное пролонгированное и неспецифическое взаимодействие внутри конструкции. Этот комплекс метаболитов и есть системный активатор, который не только регулирует функционирование, но и изменяется сам.

В зависимости от состояния системного активатора при формировании реакции часть компонентов конструкции может быть активна и готова к работе, а функционирование других подавлено. В результате вся конструкция оказывается задействованной в той или иной реакции. На пришедший из внешней среды сигнал реагирует только ее активная часть.

Системный активатор играет одну и ту же роль в системах 1-го и 2-го типов - роль организатора функционирования путем активации компонентов биосистемы. Согласованное функционирование системы на сигнал, поступающий из внешней среды, - это третья составляющая функциональной триады. Согласованное функционирование осуществляется различно в системах с конструкцией 1-го и 2-го типов, т.е. в системах с гомогенными компонентами и неспецифическими связями и в системах с гетерогенными компонентами и специфическими связями. В первом случае компоненты не обладают спецификой в организации ответа на воздействие. При этом адекватно реагируют только компоненты активной части конструкции, подготовленные системным активатором, который обеспечивает общую тенденцию функционирования (характер метаболитного обмена, его скорость, направленность). Следует отметить, что для компонентов не исключена возможность находиться в разных функциональных состояниях, например, на разных этапах онтогении. Активатор производит своего рода "выбор" компонентов, способных отреагировать на сигнал. В отличие от системы первого типа, где активированная часть конструкции представляет собой совокупность морфологически не связанных компонентов, в системе второго типа создается схема функционирования.

Схема функционирования - это активированная часть конструкции второго типа, в которой определена последовательность работы отдельных компонентов, за счет морфологически закрепленных направленных связей. Благодаря множественности таких связей в функциональной схеме могут реализовываться разнообразные процедурные последовательности, что создает феномен пластичности функционирования.

Гетерогенность компонентов и последовательность их активного функционирования, когда результат работы одного инициирует работу другого, обеспечивают их системную