Структура живого вещества

Не существует строгого определения, что такое жизнь. Вместо формулирования заведомо неполного представления о ней лучше попытаться представить жизнь через совокупность её наиболее существенных признаков.

Первым из таких признаков является:

Питание. Оно служит для живых организмов источником энергии и веществ. Растения усваивают энергию непосредственно, через процесс фотосинтеза. Животные и грибы через расщепление чужой органики. Первые именуются автотрофами, а вторые - гетеротрофами.

Дыхание. Одной из основных его функций является освобождение энергии при расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая при этом энергия запасается в молекулах АТФ.

Раздражимость является способностью реагировать на изменение внешней и внутренней среды.

Подвижность следует понимать не только как действие, ведущее к изменению положения в пространстве, например, для растений это менее всего характерно, но в большей степени как общий приспособительный элемент адаптационного поведения, чаще всего выраженный в изменении пространственных координат.

Выделение является выведением из организма конечных продуктов обмена веществ.

Размножение. Его эволюционная роль заключается в сохранении главных признаков родителей у потомства.

Рост - это один из наименее специализированных признаков живого вещества. Он характерен и для неживой материи, например, кристалл, но и здесь существуют различия. Так кристалл растёт «снаружи», присоединяя новое вещество к поверхности, а живое растёт «изнутри».

Жизнь начинается тогда, когда в живой элементарной конструкции - клетке начинается саморегуляция, обеспечивающая смену поколений, приспособление к меняющимся условиям внешней среды и к взаимодействию клеток друг с другом. Тысячи ферментных процессов координируются клеткой, обеспечивая циклику ее развития. Это же относится к комплексу клеток и, наконец, к организму в целом.

В регуляции жизнедеятельности организма чрезвычайно велика роль мембран. Это одно из основных звеньев регуляторного механизма. Меняющаяся проницаемость мембран определяет взаимоотношения клетки с внешней средой и другими клетками, ядерные мембраны определяют взаимоотношения ядра с протоплазмой. Мембранные системы митохондрий, опять-таки не только осуществляют, но и регулируют приготовление универсальных энергетических ресурсов клетки, а протоплазменные мембраны участвуют в регулируемом синтезе веществ.

Не следует забывать, что решающую роль мембраны играют, одевая все нервные проводники. Нервные импульсы, распространяющиеся по сотням миллионов нервных волокон в организме, по существу говоря, обусловлены процессами быстро распространяющихся состояний - изменений ионной проницаемости в мембранах нервного волокна. Говоря несколько упрощенно, нервные связи и даже интегративная деятельность мозга, в какой-то мере, обусловлены мембранными процессами.

Все заболевания и, в частности, повреждающее действие радиации - это, прежде всего, расстройство регуляции. Проникающая в клетку вирусная частица, вмешиваясь в регуляцию клеточных процессов, меняет программу синтетической деятельности клетки, которая прекращает свой нормальный синтез и начинает приготовлять вирусные частицы. В настоящее время в эксперименте показано, что ядро взрослой нервной клетки, которое, как известно, не делится, пересаженное в дробящуюся клетку яйца, начинает служить новому хозяину и, под влиянием расшифрованных теперь химических регуляторов, меняет программу синтеза нуклеиновой кислоты и начинает быстро делиться.

Рассматривать гены в ядре как единственную управляющую систему - это сегодня уже упрощение. Нет по существу равновесия ни в клетке, ни в организме, ни в биосфере в целом. Имеется некая динамическая циклика процессов и, если нарушается регуляция этой циклики и выбросы превышают разрешенную амплитуду, наступает заболевание или гибель в клетке или в организме и катастрофические последствия в живой природе в целом. В клетке циклика развития проявляется, например, в периодическом клеточном делении. Определенная циклика характерна и для живого организма.

В качестве примеров регуляции живого организма можно назвать следующие параметры:

Регуляция содержания дыхательных газов в крови.

Регуляция уровня метаболитов в крови.

Регуляция ритма сердца и кровяного давления.

Защита от инфекции.

Терморегуляция.

Совокупность живых организмов таксономируется. Таксоны реальны. Они обладают собственной пространственно-временной структурой. Живые системы подчинены иерархическому контролю, что означает возможность прямых или опосредованных контролирующих воздействий таксонов друг на друга.

Системное единство каждого уровня обеспечивается процессом биологического узнавания. Уровни организации живых систем выражаются следующим образом:

Живая молекула (протоплазма).

Клетка, несущая в себе ДНК, РНК, белки и ферменты.

Организм (особь), в которой реализуется наследственная информация.

Вид (популяция) - в его пределах осуществляются конкуренция и естественный отбор.

Биогеосфера, в которой реализуются геохимические функции живого вещества: газовая функция (участвуют все организмы); кислородная (хлорофиллы); окислительная (бактерии); кальциевая (водоросли, бактерии и др.); восстановительная (бактерии); разрушение органических соединений (бактерии, грибы); метаболизм (всё живое).

Понятие «гомеостаз» (греч. «homoios» - подобный, одинаковый, и «stasis» - состояние) было введено У. Кенноном. Гомеостаз рассматривается как некоторое динамическое постоянство параметров объекта управления в процессе его существования. Механизм поддержания гомеостаза выглядит как иерархическая структура управления, состоящая из трех контуров, причем цели в двух из них соотносятся как противоречащие друг другу и являются объектом управления в некотором третьем контуре.

Начальный этап исследований выявил относительное динамическое постоянство внутренних свойств (структуры) и внутренней среды организма и устойчивости выполнения им основных функций. Было выяснено, в частности, что для гомеостаза характерна нежесткость требований к параметрам состояния, когда важно, чтобы постоянство соблюдалось только в той степени, которая необходима для нормального функционирования организма в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности). Гомеостаз стал одним из кардинальных понятий современной физиологии. Однако структуры и механизмы его поддержания в ходе этих исследований не были раскрыты.

Следующий этап в развитии представлений о гомеостазе связан с появлением концепции кибернетики. Он формально описал механизм возникновения и поддержания гомеостаза как контур отрицательной обратной связи с задающим сигналом. Фактически этим понятие гомеостаза было признано свойством структурной организации систем, независимо от их природы (естественных и искусственных). С позиций теории управления гомеостаз означает сохранение постоянства внутренней среды системы в ходе реализации любых управленческих программ.

Классическая линия развития теории управления идейно была определена желанием сохранить схему Н. Винера для объектов любой сложности. Появившиеся в конце 1960-х гг. работы по теории многосвязных систем основывались на простой идее: среди всех выходов системы выделить главный, для которого и надо решать задачу управления. Что касается реакций остальных переменных системы, то их надо сгладить. Эта идея развивается затем в работах по чувствительности и ее минимизации, а затем - в теории инвариантности.

Применительно к организму (естественной системе) был предложен принципиально иной подход к понятию целей управления. В его основе - строгая семантическая трактовка сущности иерархической структуры, наличие нелинейных отношений между различными целями управления и обусловленная этим степень внутренней свободы системы, характеризующаяся нежесткостью требований к параметрам состояния. Степень внутренней свободы, присущая предложенному подходу к целям управления такова, что постоянство соблюдается только для системы в целом (а не для каждого процесса или канала управления в отдельности).

С позиции классической теории управления это условно можно трактовать как нахождение общей части областей устойчивости для различных каналов управления системы «Гомеостаз - путь создания устойчивости в самой управляющей системе за счет подходящей структуры». Можно сказать, что предложенное теоретическое положение стало отправной точкой для формирования теории гомеостатического управления в ее современном понимании, так как положило основу для формирования идейного, понятийного и математического аппарата исследования. В первую очередь была показана сложная организация решения задачи самосохранения в естественных системах.

Сформированные теоретические представления о гомеостазе стали основой для решения прикладных задач. После появления винеровской модели сразу же были разработаны модели различных физиологических систем в виде одноконтурных систем с постоянной установкой, которая задавала «желаемый» уровень каких-либо веществ в организме (гормонов, водородных ионов и т. п.), температуры или «очевидных» параметров (напр., давления в системе кровообращения). Однако быстро выяснился основной недостаток такой модели - установка не отражает изменчивости состояния организма в разных условиях.

Появилось две возможности преодолеть это противоречие:

Первый подход - сделать многоуровневые модели с меняющимся значением установки, где второй уровень управления меняет значения установок для регуляторов низшего уровня, а третий следит за организмом в целом. Этот подход был развит в СССР С. Н. Брайнесом и В. Б. Свечинским, а затем применён для социально-организационных структур.

Другой подход - вообще отказаться от жесткой винеровской схемы (как одно,- так и многоконтурной).

Практика моделирования пошла по второму пути. Оказалось, во-первых, что в реальных физиологических системах, как правило, не удается обнаружить структуры, где бы производилось используемое в модели «сравнение двух сигналов».

Во-вторых, выяснилось, что описание физиологического объекта управления в модели Винера передаточной функцией не годится для описания сколько-нибудь сложных систем. В сложной системе, где имеется множество передаточных функций, их надо складывать, умножать, делить. Если одинаковые переменные окажутся в числителе и в знаменателе, то их можно сократить, понизив порядок системы. Но при сокращении теряется информация об исходном состоянии системы - о начальных значениях на всех элиминированных «интегрирующих звеньях». Система становится «непредсказуемой» - процессы в модели не отражают процессы в реальной системе.

Выход в этой ситуации был найден Р. Калманом, с работ которого начался новый этап в развитии теории управления. Его сущность состояла в отказе от модели «черного ящика» и переходе к методу пространства состояний, когда само математическое описание системы в виде дифференциальных уравнений содержит полную информацию о ее структуре. В моделировании биологических систем (а к этому времени понятие гомеостаза распространилось и на смежные с физиологией сферы) стали применяться компартментальные модели, позволяющие смоделировать баланс веществ в системе и сложные формы управления им. Именно здесь и возникла принципиальная возможность построения общего подхода для анализа гомеостаза систем любой природы, как биологической, так и технической.

Дата добавления: 2013-12-13