Естественные технологии биологических систем - Александр Уголев

Возникает вопрос, в какой степени можно говорить о принципе поддержания постоянства молекулярного состава. В его пользу свидетельствует хорошее соответствие между потерей и потреблением веществ, обеспечивающих идентичность молекулярного состава системы и ее частей в течение длительного времени. Однако при коротких интервалах времени наблюдаются нарушения между притоком и оттоком веществ и, следовательно, значительные колебания их содержания в самой системе. По-видимому, в этом случае понятие постоянства следует относить к определенным масштабам времени, что тесно связано с принципом циклизации.

Принцип циклизации. На всех уровнях организации (от клеточного до планетарного) биологические системы (точнее, процессы) частично или полностью циклизированы. Так, очевидна циклизация окислительных 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 циркуляция натрия, 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 и биосферы, где происходит циркуляция массы и энергии. По всей вероятности, принцип циклизации входит в число важнейших принципов, обеспечивающих высокую эконо-мичность и эффективность живых систем благодаря многократному использованию одних и тех же структур. Циклизация также обеспечивает согласование всех компонентов, реализующих многоэтапный процесс. Наконец, в циклах возможно наиболее совершенное гомеостатирование процесса и управление им. Многие системы, рассматриваемые как линейные, по всей вероятности, со временем будут охарактеризованы как циклические с входами и выходами, а в некоторых случаях — с несколькими входами и выходами. Это имеет место в цикле Кребса и других биохимических циклах на субклеточном уровне или в системах энтеро-гепатической циркуляции и циркуляции крови в тканях и организме. Циклизация систем определяет многие эволюционные особенности функций, в том числе их устойчивость.

Принципы множественности. Выше подчеркивалось значение принципов мультифункциональности и мультипотентности. Они являются общими не только для эволюции функций, по 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, или полипотентен. Эволюционно мультипотентность 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).

Принципы множественности имеют значение для понимания не только общих, но и частных закономерностей функционирования любой конкретной системы. Они образуют семью принципов, которые включают в себя, возможно, наиболее общий гипотетический принцип — принцип мультиэссенциальности.

Принцип мультиэссенциальности. Этот принцип служит более глубоким выражением явлений, 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. Важно, что представление о функциональной роли кишечного эпителия можно получить лишь после описания всех сторон его жизнедеятельности, казалось бы, противоречащих друг другу. К этому следует отнести, кроме того, участие кишечного эпителия в энтерогематической циркуляции (например, натрия, глюкозы и воды), необходимой для удержания жидкостей внутренней среды и постоянства последней. Следовательно, кишечный эпителий мультифункционален, мультипотентен и мультиэффективен.

Итак, деятельность кишечного эпителия имеет много «смыслов», что требует многостороннего описания. Принцип мультиэссенциальности позволяет понять особенности адаптации и эволюции, которые зависят от того, что каждая «специализация» кишечной 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 вытекают важные следствия. В частности, для полной характеристики биологической системы необходимо несколько независимых и дополняющих друг друга описаний.

Описание организма еще сложнее, чем клетки, так как свойства организма определяются свойствами его элементов и их взаимоотношениями, а также тем, что организм является не только высшей структурой, но и как элемент входит в состав популяции, биогеоценоза и биосферы. Принцип мультиэссенциальности охватывает многие стороны биологических процессов, систем и даже жизни в целом во всем ее многообразии и подчеркивает важность этого многообразия.

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.

Общность функциональных блоков в регуляторных и исполнительных системах различных структур одного и того же организма создает потенциальную возможность образования различных регуляторных путей я перестройку уже существующих в более или менее широких пределах. Это обстоятельство важно для понимания приспособительных и компенсаторных механизмов. Общность между организмами обеспечивает возможность регуляции на уровне популяции, экосистемы и биосферы.

Принцип сигнальности, возрастание сигнальности в ходе эволюции, принцип обратной связи и другие принципы управления имеют большое значение для технологических подходов к функционированию биологических систем.