а глава 8 в сети есть - ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
"Технология в новом понимании — это наука об организованных процессах в живой и неживой природе. Организованный процесс характеризуется определенной программой, структурой, осуществляющей данный процесс, и управляющей системой, реализующей контроль и регулирование деятельности системы. Он идет с затратой энергии и в большинстве случаев обладает некоторым эффектом. Все эти признаки являются формально общими для всех типов организованных процессов, возникших как в результате разумной деятельности человека, так и в ходе биологической эволюции. Как в первом, так и во втором случае конечные эффекты служат полезными признаками. Современная организация живых систем — результат долгого и не до конца понятого эволюционного пути.
Принцип универсальности. Принцип гласит, что основные закономерности строения биологических систем всеобщи. Это означает, что какой-либо механизм, свойственный организмам одного вида или даже открытый у клеток организмов одной группы, будет широко распространен или универсален. Иными словами, он может быть обнаружен у организмов других видов или оказаться всеобщим. Принцип универсальности отражает общность происхождения организмов и единство структурно-функциональной организации жизни как планетарного явления, где перенос массы и энергии возможен лишь при общности ряда его компонентов. Принцип имеет существенное гносеологическое значение, так как заставляет частную закономерность рассматривать как потенциально всеобщую и искать границы ее применения. Одним из доказательств справедливости принципа служат многочисленные универсальные машины, открытые в период новой биологической революции. Кроме того, лишь на основе принципа универсальности можно понять возможность создания межвидовых клеточных гибридов и химерных организмов, а также возможность переноса информации от вида к виду и, что еще более важно, ее экспрессию. Принцип универсальности базируется на принципе блочности.
Принцип блочности. Для структуры и функции на элементарном уровне характерна дискретность, которая выражается в блоковой организации структур, осуществляющих элементарные функции (принцип блочности) , и в принципе функционирования (принцип “все или ничего”). Элементарные функции реализуются с помощью определенного набора функциональных блоков. Все многообразие простых и сложных процессов может быть описано как упорядоченная работа соответствующих комбинации функциональных блоков. Для понимания деятельности организма это важно при интерпретации таких вопросов, как формирование высокоспециализированной системы из единственной оплодотворенной клетки, как единство организма при объяснении отсутствия специфических молекулярных машин в клетках различной специализации и т. д. Принцип блочности существен для понимания высоких темпов эволюции и стабильности признаков на уровне функциональных блоков. Наконец, этим механизмом устанавливается соответствие между генетической и функциональной интерпретацией эволюционного процесса.
Принцип блочности является основой общности биосферы в целом и, в частности, трофических и других взаимодействий между ее частями. Без общих функциональных и строительных блоков было бы невозможно существование круговорота веществ в природе. В практическом смысле этот принцип объясняет не ожиданные и тяжелые последствия действия гербицидов, инсектицидов и других специализированных токсикантов. Принцип блочности справедлив не только для функциональных блоков, но также на более низких уровнях (строительные блоки — аминокислоты, моносахариды, нуклеиновые кислоты и т. д.) и на более высоких уровнях (органеллы, клетки, органы, организмы и т. д.).
Принцип “все или ничего”. Закон “все или ничего” установлен для возбудимых макросистем, где имеет место незатухающее возбуждение. В дальнейшем продемонстрировано, что по этому принципу работают многие информационные системы, что обеспечивает им ряд преимуществ. Распространение этого закона на деятельность функциональных блоков означает, что блок может находиться либо в состоянии покоя, либо осуществлять работу, которая является единственно возможной в данных условиях. Конкретное применение закона может быть весьма важным. Например, если активный транспорт подчиняется этому закону, то энергия переноса одной молекулы (например, глюкозы) будет одинаковой как по градиенту концентраций, так и против этого градиента. Различия, получаемые при решении термодинамических уравнений, отражают интенсивность и направление пассивной утечки. Ясно, что хотя отдельные функциональные блоки (например, насосы) полностью подчиняются закону “все или ничего”, большая популяция таких блоков создает возможность для плавного градуального регулирования процесса.
Принцип эффективности. Принцип является краеугольным для естественных технологий и рассмотрен в гл. 4. Он характеризует механизмы естественного отбора, отражает некоторые общие закономерности (эволюцию структур и функций) и определяет взаимоотношения между структурой, функцией и полезными (или вредными) эффектами в ходе эволюции. В нем утверждается, что при естественном отборе происходит накопление полезных и элиминирование вредных биологических эффектов. Следствие этого — изменение структурных и функциональных признаков, реализующих такие эффекты. Состояние системы приближается к равновесию между полезностью признака (его полезным эффектом) и его “стоимостью”, т. е. отрицательным по своему биологическому значению эффектом, а соотношение между ними может меняться под влиянием внешних и внутренних факторов. Принцип эффективности служит основой для анализа физиологического и биологического значений любых живых систем. Одновременно в нем утверждается наличие побочных признаков, которые являются обязательным компонентом полезного эффекта. На основе этого принципа разъясняется отсутствие идеальных биологических систем и невозможность достижения коэффициента полезного действия, равного 1. Противоречие, существующее между полезным (при определенной организации и в определенных условиях) эффектом и “отрицательным эффектом”, или биологической стоимостью функции как совокупности метаболических затрат, позволяет объяснить многие особенности эволюции.
Знакомство с популяционной генетикой и с понятием платы за отбор побудило меня ввести понятие платы за метаболизм. ...Принцип эффективности позволяег приблизиться к пониманию как специализации и дивергентной эволюции функций, так и к конвергенции в тех случаях, когда развитие идет по пути отбора сводных биологических эффектов.
Принцип сохранения. Законы сохранения вещества и энергии относятся к числу фундаментальных всеобщих законов. Их применение к объяснению основных процессов жизни на всех уровнях организации И. М. Сеченов считал наиболее важным итогом естествознания XIX в. Для живой природы характерно формирование процессов и механизмов активного поддержания постоянства основных свойств данной системы. Эта способность развивается и возрастает в ходе филогенеза и объединяется термином “гомеостаз”, включающим в себя как состояние, так и процессы, обеспечивающие его.
Гомеостатирование в широком смысле представляет собой поддержание постоянства основных биологических и физико-химических констант. Это понятие является основным в современных интерпретациях таких различных явлений и состояний, как здоровье и болезнь, сохранение окружающей среды и биосферы. Это же понятие применяется к работе различных технических устройств и комплексов. Принцип гомеостаза — один из наиболее фундаментальных в жизнедеятельности систем и свойств этих систем. Он справедлив по отношению к любой конкретной живой системе (от клетки до биосферы), а также для эволюции в целом. За малыми исключениями филогенетический аспект принципа гомеостаза может бытьсформулирован как принцип возрастания гомеостаза в ходе эволюции. Однако уже сейчас ясно, что принцип гомеостаза состоит из семейства более частных принципов, например принципа гомеореэиса и гомеоморфоза.
Принцип циклизации. На всех уровнях организации (от клеточного до планетарного) биологические системы (точнее, процессы) частично или полностью циклизированы. Так, очевидна циклизация окислитель ных процессов на уровне трикарбоновых кислот, а также на уровне эндо- и экзоцитозов, при которых фрагменты мембраны совершают циркуляцию, реализуя функции клеточной трофики, рецепции, экскреции и т. д. Примером циклизации функций на уровне органов и систем может быть энтерогематическая цирку ляция ватрия, глюкозы и других компонентов крови. Возможно, наиболее сложным и совершенным выражением циркуляции молекул, надмолекулярных комплексов и клеток в организме как системе служит кровообращение. Цикличность характеризует также взаимоотношения в пределах экосистем п биосферы, где происходит циркуляция массы и энергии.
Принципы множественности. Выше подчеркивалось значение принципов мультифункциональности и мультипотентности. Они являются общими не только для эволюции функций, но и для их организации. Принцип мультифункциональности гласит, что каждая сложная структура имеет более чем одну функцию. Для эволюции это служит исходным условием последующих разнонаправленных специализаций. В пределах одного организма большинство органов мультифункционально, что создает широкие возможности для значительных структурных и функциональных перестроек. В основе последних лежит изменение соотношения соответствующих функциональных блоков, результатом которого может быть уменьшение одних и увеличение других биологических эффектов.
Мультифункциональность системы не следует смешивать с мультипотентностью, которая отражает не менее важное свойство — участие системы в качестве функционального блока в выполнении различных функций. Для самих блоков Мультифункциональность не характерна. Напротив, их отличает приспособленность к реализации одной операции без постепенного перехода к другой. В то же время, соединяясь с рядом других функциональных блоков, данный блок приобретает способность участвовать в разнообразных процессах, т. е. он мультипотентен, пли полипотентен.Эволюционно мультипотентпость служила основой для конструирования самых сложных структур, включая структуры, ответственные за интеллект. Принцип мультипотентности, вероятно, преобладает на молекулярном уровне организации, а принцип мультифункциональности — на органном. (Речь идет о доминировании, а не об исключительности).
Принцип мультиэссенциальности. Этот принцип служит более глубоким выражением явлении, которые открываются в таких свойствах живой природы, как Мультифункциональность и мультипотентность. Для описания характеристик элементарных частиц этот принцип был сформулирован как принцип дополнительности, отражающий двойную (корпускулярную и волновую) природу электрона, фотона и др. Принцип мультиэссенциальности развит в связи с необходимостью подчеркнуть, что отдельные системы (молекулы, клетки, органы, организмы и т. д.) ведут, если так можно сказать, двойную, тройную или даже более сложную жизнь. Например, ранее подробно разбирались функции кишечного эпителия, который является барьерной системой, отделяющей внутреннюю среду организма от внешних агрессий. Это привело к появлению ряда защитных реакций, особых свойств кишечных клеток и межклеточных соединений и т. д. Селективно ценными признаками в этом случае являются те, которые повышают барьерные функции кишечного эпителия. В то же время этот эпителий служит пищеварительно-транспортной системой, обеспечивающей максимальный поток нутриентов во внутреннюю среду организма. Для реализации этих двух функций кишечный эпителий должен обладать диаметрально противоположными свойствами. Если бы мы имели возможность разделить эти свойства кишечных клеток в пространстве, то видели бы совершенно различные структуры — защитную и поглощающую. В некоторых случаях это можно наблюдать у насекомых.
...Итак, деятельность кишечного эпителия имеет много “смьіслов”, что требует многостороннего описания. Принцип мультиэссенциальности позволяет понять особенности адаптации и эволюции, которые зависят от того, что каждая “специализация” кишечяой клетки находится под контролем различных факторов эволюции, включая естественный отбор. Изменение одной из функциональных характеристик кишечной клетки может быть позитивным селективным признаком, но может оказаться негативным по отношению к другим характеристикам. Из принципа мультиэссенциальности выгекают важные следствия. В частности, для полной характеристики биологической системы необходимо несколько независимых и дополняющих друг друга описаний.
Принципы управления. Многообразие и пластичность функций служат отражением различных сочетаний ограниченного, хотя и большого числа функциональных блоков и прямо указывают на первостепенную роль систем управления в организации естественных технологий. В основе принципов управления лежат законы управления, основные законы кибернетики. Управление достигается с помощью программ (прежде всего генетических), определяющих алгоритм процесса, т. е. последовательность операций в пространстве и времени. Другим существенным свойством управления являются процессы регуляции и саморегуляции, обеспечивающие инициацию, завершение или поддержание определенной скорости биологического процесса.
...Принцип сигнальности, возрастание сигнальности в ходе эволюции, принцип обратной связи и другие принципы управления имеют большое значение для технологических подходов к функционированию биологических систем.
Принцип компромисса. Адаптивность является важнейшим свойством биологических систем, но возможность адаптации ограничена многими факторами. Один из наиболее существенных — необходимость сочетания множества свойств, или мультиэссенциальность. С ограничением адаптивных процессов тесно связан и принцип компромисса, необходимость которого для муль-тиэссенциальных систем была показана выше. Принцип компромисса, заключающийся в невозможности одновременного поддержания всех функции и подсистем целостного организма на оптимальном уровне. позволяет лучше понять регуляцию отдельных органов и систем этого организма. Принцип оптимального компромисса чрезвычайно широк и дает возможность интерпретировать многие особенности деятельности живых систем. Он полезен также для понимания свойств популяции и экосистем, где каждый член осуществляет меньший объем работы и имеет меньшее значение, чем это могло бы иметь место при увеличении биологического пространства. Принцип компромисса объясняет неустойчивость, неспособность к длительному существованию искусственных систем, где он не соблюдается.
...Принцип компромисса отчетливо проявляется при взаимодействии нескольких систем. В большинстве случаев между ними возникает компромиссное взаимодействие, ограничивающее чрезмерное развитие каждой из них и создающее гомеостатированный механизм. К сожалению, механизмы биологических компромиссов не изучены. В некоторых случаях показано, что взаимодействие частей одной системы или компромиссное взаимодействие различных систем происходит с помощью химических мессенжеров.
**
Понятие физиологической эволюции включает в себя следующие положения.
1. Однотипность процессов — отражение одного из фундаментальных принципов жизни как планетарного явления. Такой подход соответствует взглядам В. И. Вернадского о биосфере. Единство жизни на уровне биосферы обусловлено биотическими круговоротами, основанными на трофических связях, т. е. на функциональных взаимодействиях определенного типа. Такое единство возможно лишь при универсальности по крайней мере на двух уровнях: на уровне строительных блоков — мономеров (биохимический уровень) и на уровне функциональных блоков (физиологический уровень). Таким образом, первая и важнейшая закономерность, которую постулирует физиология, вступая в противоречие с другими науками, — это представление о жизни как планетарном процессе. Такой подход объясняет также и асимметрию жизни. Это не отрицает идеи, получившей широкое признание в нашей стране и за рубежом и заключающейся в том, что асимметрия жизни могла возникнуть в добиологический период в результате вероятностной флуктуации. Однако физиологическая эволюция свидетельствует, что такая асимметрия поддерживается вследствие гомеостатирования биотического круговорота.
2. Стабилизация касается функционально значимых элементов, участвующих в выполнении элементарных функций, и не затрагивает Других структур, где проявляются закономерности, чаще всего фигурирующие под названием нейтральной эволюции.
3. Все разнообразие функций и структур базируется на некотором количестве универсальных функциональных блоков, т. е. структур, реализующих элементарные функции. Эти структуры образуют специализированные системы, отличающиеся разнообразием за счет их сложного комбинирования. Следовательно, эволюция идет преимущественно по пути комбинирования универсальных функциональных блоков. При этом мутирующие гены относятся преимущественно не к структурным, а к регуляторным генам. Таким образом, в ходе эволюции увеличивается роль мутаций в регуляторных генах, причем у эукариотов этот тип мутаций является основным. Такая мысль одновременно и независимо была высказана и другими исследователями.
Стабильность некоторых свойств определенных систем в течение длительных интервалов эволюции я вместе с тем использование одних и тех же функциональных блоков можно проиллюстрировать двумя примерами. Первый пример был приведен мною выше и касается стабильности амилаз животных различных видов, а также амилаз, выделенных из различных органов одного и того же организма. Я не смог обнаружить признаков эволюции и совершенствования этих молекулярных машин в ходе эволюции. В последние годы такое заключение получило подтверждение. При изучении первичной структуры генов амилазы и самой амилазы бактерий, дрожжей, а также амилазы слюнных и поджелудочной желез млекопитающих оказалось, что принципиальных изменений в первичной структуре фермента не произошло. Более того, все те части, которые связаны с ферментативным катализом, остались неизменными. Замещение аминокислот происходило в так называемых индифферентных частях молекулы.
Второй пример относится к собственно кишечным мембранным ферментам. В нашей лаборатории было показано, что во многих случаях меняется не каталитический домен, а регуляторная субъединица фермента. Иными словами, каталитическая субъединица отличается большой стабильностью.
Таким образом, физиология и физиологическая эволюция способны объяснить ряд общих закономерностей эволюции, которые до сих пор не были ясны и не могли получить интерпретации.
...Самое важное следствие, вытекающее из представлений о естественных технологиях, заключается в сближении я объединении полярных областей науки — естествознания и технологии. Такая интеграция стала возможной лишь тогда, когда была выявлена общность закономерностей в живых системах и в системах, созданных человеческим разумом. По всей вероятности, еще в первой половине XX в., а тем более в XIX в. технологический подход в естествознании был невозможен, вернее, не мог выйти за пределы иллюстраций."
http://evolution.powernet.ru/library/ugolev.html
