Институт Инновационного Проектирования | К ВОПРОСУ О СООТНОШЕНИИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ В БИОСИСТЕМЕ
 
Гл
Пс
Кс
 
Изобретателями не рождаются, ими становятся
МЕНЮ
 
   
Р’РҐРћР”
 
Пароль
ОПРОС
 
 
    Слышали ли Вы о ТРИЗ?

    Хотел бы изучить.:
    Нет, не слышал.:
    ТРИЗ умер...:
    Я изучаю ТРИЗ.:
    Я изучил, изучаю и применяю ТРИЗ для решения задач.:

 
ПОИСК
 
 



 


Все системы оплаты на сайте








ИННОВАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сертификация инноваторов
инновационные технологии
БИБЛИОТЕКА ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
Это интересно
ПРОДУКЦИЯ
 

 


Инновационное
обучение

Об авторе

Отзывы
участников

Программа
обучения

Вопрос
Ю.Саламатову

Поступить на обучение

Общественное
объединение



Молодому инноватору

FAQ
 

Сертификация
специалистов

Примеры заданий

Заявка на
сертификацию

Аттестационная
комиссия

Список
аттестованных
инноваторов

Инновационное
проектирование

О компании

Клиенты

Образцы проектов

Заявка
на проект

Семинары

Экспертиза проектов

   

Книги и статьи Ю.Саламатова

Теория Решения Изобретательских Задач

Развитие Творческого Воображения

ТРИЗ в нетехнических областях

Инновации 
в жизни науке и технике

Книги по теории творчества

Архивариус РТВ-ТРИЗ-ФСА

Научная Фантастика
 
 
Статьи о патентовани
   

Наука и Техника

Политика

Экономика

Изобретательские блоги 

Юмор 
 
Полигон задач

ТРИЗ в виртуальном мире
медиатехнологий
       

Книги для
инноваторов

CD/DVD видеокурсы для инноваторов

Програмное обеспечение
инноваторов

Покупка
товаров

Отзывы о
товарах
           

К ВОПРОСУ О СООТНОШЕНИИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ В БИОСИСТЕМЕ

 

И.А.Веселаго (via@lgrant.mipt.msk.su), М.З.Левина МГУ им. М. В. Ломоносова, биологический факультет

Проблема соотношения субстрата и функции в живом объекте - одна из центральных проблем биологии. От подхода к этой проблеме зависит решение таких общебиологических задач как описание механизмов интеграции биосистемы и целостности ее функционирования, адаптации к внешним условиям, развития в онто и филогенезе и других. Многие современные биологические исследования так или иначе затрагивают проблему целостности живого объекта. Вместе с тем механизмы интегративности, системности, функционального единства биообъекта изучены весьма слабо. Понятие целостности обычно декларируется, но как правило, бывает оторвано от реального эксперимента и его обсуждения. Нет единой концепции, объединяющей подходы к исследованию механизмов поведения, обучения, запоминания, несомненно опирающихся на общеинтегративные свойства организма. В современной биологии наблюдается отход от принципов целостности и системности, которые были присущи исследованиям, проводившимся в начале ХХ века.
Современные биологи обычно ограничиваются утверждением, что организм - это сложная система, основанная на взаимодействии отдельных компонентов, и продолжают применять традиционные методы. При этом, как справедливо отмечал И.И.Шмальгаузен, морфологи забывают о физиологической стороне исследуемого объекта, а физиологи оставляют без внимания особенности строения морфосубcтрата. В результате такого подхода все еще продолжаются поиски специфического субстрата памяти, способного к длительному хранению информации, и регулятора, управляющего течением процессов. В организме ищутся отображения элементов внешней среды в виде специфических, присущих каждому типу воздействий функциональных изменений субстрата. При этом упускается из виду диалектическое противоречие, лежащее в основе существования биологического объекта, - противоречие между относительной статикой морфосубстрата и динамикой физиологических процессов, развивающихся на том же субстрате и опосредующих все проявления его функциональной активности. В то же время обучение, память, регуляция и т.д. являются следствием функциональных перестроек морфосубстрата, изменения функционирования отдельных его компонентов и системных взаимосвязей между ними. Современные представления о соотношении функции и субстрата основываются на редукционном, организмическом и интегративном принципах.
Редукционизм, согласно которому изучение сложных системных организаций может быть сведено к изучению составляющих их частей, позволяет достаточно полно описать основные свойства структурных элементов (блоков) биологической системы, наличие у них собственной организации, относительную независимость внутреннего функционирования, возможность взаимодействия с другими блоками и образования устойчивых комплексов. Важным достижением этого направления исследования явилось представление о гетерогенности блоков живой системы. Но поскольку элементы рассматривались в отрыве от целого, постольку оказалось невозможно выделить специфику целого, т.е. появления новых в качественном отношении системных свойств.
Организмическая концепция, утверждающая невозможность сведения целого к сумме составляющих его элементов, предусматривает наличие специфики целого, которой не обладают его отдельные части. Однако, такой подход не позволяет выделять механизмы, объединяющие отдельные элементы в систему, обладающую качественно новыми, по сравнению с простой совокупностью элементов, свойствами, т.е., в конечном итоге, не дает возможности связать между собой структуру и функцию биообъекта.
Принцип интегративизма является компромиссным при решении проблемы соотношения структуры и функции. Он дает возможность объединить достоинства редукционистского и организмического принципов. Сторонники этого подхода рассматривают дифференциацию и интеграцию в неразрывном единстве, на котором базируется целостность биологического объекта.
По нашему мнению, интегративный подход, обладая несомненными достоинствами, не имеет действенного формального метода исследования морфофункциональных преобразований биосистемы в ответ на внешнее воздействие.
Основываясь на интегративном подходе мы разработали метод исследования динамической организации биологического объекта. Настоящая статья посвящена генезису основ этого метода вместе с решением наиболее важных, на наш взгляд, задач взаимоотношения субстрата и функции биосистемы.
В основе метода лежат понятия системного блока, связей между блоками, структуры системы, состоящей из блоков и различных связей между ними, эквифинальности процесса в структуре. Необходимость преобразования внешних сигналов внутренними механизмами системы позволяет использовать понятие функции как процесса, сложенного из дискретных компонентов. Вычислимость функции, т.е. ее результативность, базируется на понятии алгоритма как последовательности гетерогенных процедур (блоков) переработки входной информации, приводящей к качественно новому результату, не присущему каждому блоку в отдельности. В соответствии с вышесказанным постулируется необходимость наличия в системе регуляторного механизма, обеспечивающего ее лабильность при различных внешних воздействиях. Единство структурной и функциональной целостности биологической системы базируется по И. И. Шмальгаузену на существовании трех типов корреляций, обеспечивающих адаптивное функционирование в онто и филогенезе биологической системы. В соответствии с этим чрезвычайно важна взаимная дифференцировка гетерогенных компонентов и связей системы как в процессе развития и усложнения, так и в процессе качественной переработки внешней для биологической системы информации. Корреляции в биосистеме-это конкретные морфофизиологические связи, и регуляция в онто и филогенезе реализуется также при взаимодействии этих корреляций. Многочисленные экспериментальные исследования в физиологии подтверждают наличие в организме сложных морфофункциональных зависимостей между гетерогенными компонентами и о складывании общей интеграции организма на основе взаимосвязей физиологических процессов.
На основе базисных теоретических понятий, мы хотим создать единое концептуальное представление о возникновении и изменении функции в структуре и формировании структуры на основе пролонгированного функционирования. Для этого обратимся прежде всего к понятию "блока".
В теории систем отдельный блок рассматривается как "черный ящик", внимание акцентируется на архитектонике системы, свойствах ее связей, и сознательно игнорируются внутренние механизмы блоков. Но, как хорошо известно из физиологии, внутренняя организация отдельных компонентов, их морфосубстрат во многом определяет характер функционирования биосистемы. Блок как целостная единица существует только на определенном уровне биологической организации.
На этом уровне блок выполняет строго определенную процедуру в системном процессе и является дискретной структурной единицей.
Здесь и в структурном и в функциональном плане блок неделим. Его специфика заключается в однозначном соответствии его структуры и функции. Важно то, что блок, с одной стороны, является элементом системы, с другой - сам представляет собой целостную систему со своими элементами и связями. Эти элементы в свою очередь системны и т.д. Следует особо подчеркнуть, что на всех вышележащих уровнях блок как единица системы не существует. Он не выполняет на этих уровнях специфической роли, не может быть выделен как самостоятельный элемент. Блок высшего уровня, выступающий на этом уровне как неделимая единица, складывается как система из блоков нижележащего уровня и выполняет качественно новую по отношению к нижележащему уровню функцию. Таким образом понятие блока относительно. В экспериментальных исследованиях на одном уровне биологической организации мы должны использовать редукционизм для исследования интимных свойств блока, на другом - интегративизм, чтобы исследовать роль данного блока в организации целостной системной реакции.
В теории систем, кибернетике исследуются различные типы связей между блоками, их роль в переходе из одного состояния системы в другое. Но для изучения динамики биологической системы важно не только исследовать характер разнообразных связей, но и способы их образования и перестройки. И здесь специфическую системную роль играет внутренняя гуморальная среда биосистемы как фактор, обеспечивающий постоянную взаимосвязь между блоками. Эта среда формируется в процессе функционирования биосистемы при ее структурных и функциональных перестройках. Каждый функционирующий блок пополняет гумор продуктами своего метаболизма, реагируя при этом на метаболитные выделения других блоков. В результате осуществляется диффузная ненаправленная связь между блоками биосистемы. В зависимости от относительной устойчивости и локализации гуморальной среды диффузно связанными могут быть либо все блоки системы, либо их комплексы, либо определенные отдельные блоки. Воздействия гуморального фона могут как активировать, так и подавлять активность блока в зависимости от его предыдущего функционального состояния. Мы назвали гуморальный метаболитный фон системным активатором. Изменяя соотношение активных и неактивных блоков, устанавливая взаимодействие и организуя лабильные связи между ними, даже отстоящими друг от друга на значительное расстояние, активатор может функционально перестраивать морфосубстрат, не нарушая его структурных соотношений. Изменение активатора, любые его преобразования приводят к разрушению этих связей, а, следовательно, и комплексов блоков.
Каждый блок в ответ на воздействие может изменять свое функционирование. Пределы изменений определяются его нормой реагирования. Время перестройки функционирования в пределах нормы зависит от внутренней организации блока, его инерционности. Это время нередко может превышать время действия внешнего сигнала. В результате сигнал, вызвавший перестройку функционирования блока, может прекратиться до момента формирования процесса и получения результата. Устойчивый активатор до прихода сигнала подготавливает блок к его восприятию, поддерживает в узком диапазоне в пределах нормы реагирования, обеспечивает независимость от случайных воздействий. Происходит подготовка блока к специализированному взаимодействию с другими блоками. Специализированное взаимодействие создает в системе принципиально новое свойство - упорядоченную работу блоков. Так по специализированной выделенной связи результат работы одного из блоков в определенный момент времени оказывается активирующим входным сигналом для другого. В системе возникает процесс, состоящий из последовательности гетерогенных процедур.
Несмотря на то, что в теории систем большое внимание уделяется динамике перехода из одного состояния системы в другое, обсуждается проблема эквифинальности, механизм организации процесса, условия его возникновения не обсуждаются. Не выделены принципы организации функционирования и в физиологии. Для исследования механизма процессобразования мы привлекли понятие алгоритма.
Алгоритм, в широком смысле слова, рассматривается как последовательность детерминированных гетерогенных процедур.
Реализация алгоритма - результативный процесс. По Черчу алгоритм распадается на отдельные шаги, среди которых последующие зависят от результатов предыдущих. Применение теории алгоритмов позволило нам дополнить системные представления и выделить роль активатора в биосистеме. Блок является носителем гетерогенной процедуры, элементом системного процесса. Активатор, под действием которого устанавливаются специализированные взаимодействия, является алгоритмоформирующим фактором, организатором системного процесса. Возникновение алгоритма обеспечивает и поддерживает готовность организации к восприятию сигнала, который "запускает" последовательность блоков-процедур. Возникает процесс, заканчивающийся результатом, не присущим ни одному из участвующих в его образовании блоков. Это системный результат, складывающийся на основе предыдущего функционирования, системного активатора, входного сигнала и работы блоков.
Таким образом в системе под действием диффузного активатора возникают детерминированные взаимодействия между блоками, образуется алгоритм и возникает результативный процесс. Таков генезис процесса, переход от структурной организации к функционированию.
Однако не менее важна и другая сторона существования сложных системных организаций - переход от функционирования к формированию субстрата. Многочисленные биологические исследования формообразовательных процессов указывают на ведущую роль функции в возникновении нового морфосубстрата (блоков и связей). Изучение системного активатора, позволяет нам утверждать, что устойчивое его состояние является важным условием для возникновения структурных перестроек. Ранее мы показали, что под действием устойчивого активатора происходит переход от диффузионного взаимодействия к специфическому, возникают новые связи, что ведет к структурным перестройкам.
Разнообразие функционирования, лабильность системы, ее качественные особенности, зависят в большей степени от взаимодействия между блоками, нежели от широты нормы реагирования отдельных блоков. При системообразовании происходит сужение нормы реагирования блока до оптимума, которое поддерживается активатором.
Однако активатор - наиболее подвижная часть системы. Он не может обеспечить постоянство нахождения блока в заданной части нормы реагирования. В сложной системе необходимо, чтобы особенности структурной организации самого блока поддерживали это состояние.
Пролонгированное функционирование блока в определенном режиме, в узком диапазоне нормы реагирования приводит к тому, что часть блока оказывается вне действия устойчивого активатора. Вследствие этого она подвергается постоянным перестройкам под действием случайных факторов и, по меткому выражению Б.П.Токина, "...выходит из-под замка корреляций". В результате нарушаются взаимодействия между элементами блока, утрачивается часть потенций, что в свою очередь ведет к структурному закреплению существующей на данный момент функции.
Все изложенное выше позволяет утверждать, что активатор играет важнейшую системообразующую роль - на его основе формируются комплексы блоков, специфические связи, обеспечивающие последовательную работу блоков, т.е. физиологический процесс.
Активатор не только подготавливает субстрат к функционированию и поддерживает устойчивость процесса. На нем зиждятся формообразовательные процессы: создаются новые структурные комплексы блоков, между которыми структурно закрепляются специфические связи, организуются новые процессы.
Активатор - продукт биосистемы. Он не привносится извне, а формируется в результате согласованного функционирования блоков, которое он же сам и организует. Изменяясь в ходе функциональных перестроек, системный активатор соответственно изменяет внутреннюю организацию системы. Гуморальный фон комплекса блоков принципиально отличается от фона, создаваемого каждым отдельным блоком. Это основа согласованной системной реакции на сигнал извне, т.е. функциональной целостности, интегративности. Лабильность диффузного активатора ведет к лабильности физиологических процессов, включающих различные активные блоки, что и является внутренним саморегулированием биосистемы.
Субстрат и функция биосистемы находятся в состоянии постоянного взаимного регулирования. Динамика регуляторных связей проявляется в том, что один и тот же компонент системы может в различное время быть и индуктором и реактором. Одни и те же функциональные блоки могут участвовать в различных процессах за счет относительной независимости своего внутреннего функционала от конкретного процесса. При этом активность блока может меняться на протяжении некоторого отрезка времени. В этом проявляется феномен обратной связи - важнейшего элемента физиологической регуляции и адаптации биосистемы к непрерывно меняющимся условиям среды. Обратная связь - это повторное активирование блока, опосредованное через другие блоки системы. Этими теоретическими соображениями объясняется наличие множества регуляторов в биосистеме, выделяемых исследователями в эксперименте. Наши теоретические и экспериментальные работы привели нас к выводу об отсутствии в биосистеме субстрата-регулятора. Динамика соотношения функции и субстрата - вот основа устойчивости системы и стабильности ее процессов.
Вышеизложенное позволяет нам утверждать, что соотношение между структурой и функцией в биосистеме неоднозначно и непостоянно. Нами теоретически и экспериментально показано, что в зависимости от воздействия в биосистеме реализуется один из трех типов соотношения структуры и функции: жесткий, селективный или компилятивный. Жесткий тип предполагает однозначное соответствие функции и субстрата. В этом случае все блоки системы активированы и реализуют одну единственную функцию, которая представляет собой программу, сформированную и закрепленную в процессе предыдущего функционирования. Структура программы (программа как функционирующий комплекс блоков, сама является блоком, но уже следующего системного уровня), однозначно определяет характер процесса. Изменить процесс можно только нарушив субстрат. При однозначном соответствии структуры и функции и роль активатора однозначна - обеспечить необходимый уровень активности блоков программы.
Селективный тип соотношения возникает в том случае, если система реализует не одну, а множество программ, способных отвечать на комплекс сигналов. В системе формируется активатор, способный обеспечить возможность выбора адекватной сигналу программы. Здесь активатор выполняет роль селектора, позволяющего заменить одну жесткую программу на другую. За счет механизма селекции создается лабильность функционирования. Между субстратом и функцией устанавливаются соотношения селективного типа. Выбор и подготовка программы к действию - важнейшая, но не единственная задача активатора на этом этапе. Имея дело с комплексом программ, активатор неизбежно устанавливает между ними лабильную функциональную связь, что приводит к образованию временного функционального блока.
При кратковременном активировании этот блок может не нести функциональной нагрузки, но его образование является началом следующего важнейшего этапа развития системы - компиляции нового системного блока.
Компилятивный тип соотношения субстрата и функции определяет морфофункциональные перестройки, в процессе которых формируется новый комплексный блок из уже имеющихся блоков. Очевидно, роль активатора в этом случае наиболее разносторонняя - выбор программ, установление взаимоотношений между ними, обеспечение единого функционирования, закрепление вновь приобретенной функции в перестройках субстрата.
В процессе компиляции лабильность системы оказывается наиболее значительной, поскольку формируются принципиально новые блоки, программы, процессы,, которым не обладала ранее биосистема. Однако оформление нового блока в виде морфофункциональной единицы и участие его в системных процессах приводит к неизбежному возникновению однозначного соответствия между его структурой и функцией. Т. е. мы приходим к жесткому типу соотношения между ними.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что разные типы соотношения субстрата и функции взаимообусловлены. Жесткий тип, возникший как результат компиляции, является основой для селекции программ. А селекция, в свою очередь, является первым и важнейшим этапом компиляции. Последовательная смена типов взаимодействия определяет характер функционирования системы. Перманентный переход от лабильного типа функционирования к жесткому, от исходной жесткости через селекцию и компиляцию к новой жесткости - основа развития системы.
Особенно следует подчеркнуть, что развитие лабильности на одном уровне биосистемы ограничено. Образование жесткого блока, установление однозначного соответствия функции субстрату приводит к невозможности компилирования новых блоков на имеющемся субстрате. Все потенции создания нового функционирования данного уровня могут быть исчерпаны.
Дальнейшее развитие системы зависит от возможности объединения ранее сформированных блоков, что определяется имманентными свойствами блоков и их разнообразием.
Из описания роли активатора в организации системной интеграции не следует делать вывода, что источником реорганизации и развития биологической системы является исключительно внутреннее функционирование. Организм преобразуется в целом, и в закономерностях этого преобразования важнейшую роль играют как внешние, так и внутренние факторы. Говоря о биологической системе, следует помнить, что ее организация пластична и способна к адаптации.
Для того, чтобы система могла адекватно отвечать на внешние воздействия, необходимо чтобы предфункциональное ее состояние соответствовало поступающему извне сигналу.
Внутреннее состояние системы динамично, именно поэтому реакция на внешнее воздействие при адаптивном функционировании неоднозначна и зависит от состояния системы. Нами была произведена классификация внешних относительно биосистемы сигналов в зависимости от типа перестроек, которые они вызывают. Сигналы, для ответа на которые в биосистеме имеется готовая программа, не вызывают ни функциональных, ни структурных перестроек. Возникает реакция "сигнал - ответ". Инициация готовой программы ответа (жесткого блока системы) позволяет воспроизводить определенное системное поведение, что внешне выглядит как "запоминание" взаимосвязи между стимулом и реакцией. Это реакция по жесткому типу, а сигналы мы назвали однозначными.
Для получения результата по селективному типу функционирования, необходимо предварительно произвести системные функциональные перестройки, которые обеспечат активацию комплекса блоков и выделение из него необходимой программы. Только в результате таких перестроек возможна ответная реакция. Очевидно, что в этом случае по внешнему сигналу происходит два взаимообратных процесса - функциональная перестройка существующей организации (функциональное "запоминание") и использование выделенной прог- раммы (воспроизведение реакции). Для осуществления перестроек и функционирования внешний сигнал, их вызывающий, должен быть более длительным, чем в первом случае. Такие сигналы мы назвали альтернативными.
Качественно новая реакция на сигнал, ранее не встречавшаяся в поведении биосистемы появляется, как уже говорилось, в ходе компиляции, требующей определенного времени. Сигнал при этом должен вызвать такой уровень активации, при котором возможны структурные перестройки системы. Такую реакцию может вызвать только сигнал, постоянно действующий на протяжении длительного отрезка времени. Под действием такого сигнала происходит "долговременное запоминание" в виде образования новой единицы субстрата - функционального блока. Сигналы такого типа мы назвали компилятивными. Достаточный уровень пролонгированности компилятивного сигнала будет последовательно обеспечивать функциональные перестройки, перестройки субстрата, вновь функциональные перестройки уже на базе измененного субстрата и, наконец, реакцию по типу "сигнал-ответ".
Таким образом, мы приходим к выводу о том, что говорить об абсолютном значении сигнала для биосистемы бессмысленно. Для нее не существует константной внешней среды - есть внешняя и внутренняя динамика. Мы также получили парадоксальный вывод о том, что не существует и памяти биосистемы в виде хранилища на любом из уровней ее организации. Существует целостная система, постоянные перестройки которой обеспечивают феномен запоминания. Динамика этих перестроек опосредует статику памяти.
В заключение отметим, что, исходя из приведенной логики рассуждений, основу интегративной целостности биосистемы составляет функциональная триада - структура, активатор и физиологический процесс. Структура заключает в себе особенности субстрата (дискретные блоки и связи между ними). Активатор системы дуален: с одной стороны - это продукт процессов, происходящих в субстрате, с другой - продуцент физиологического процесса, необходимый элемент процедуры. Физиологический процесс - это последовательное функционирование компонентов субстрата (процедур), что отражает способность структуры к интегративности, целостности.
Все элементы триады находятся в неразрывном единстве, в них заключаются соотношения субстрат-функция и функция-субстрат.
Функциональная триада определяет феноменологические интегративные проявления биосистемы такие как регуляция, память, развитие, обучение, поведение, адаптация.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Анохин П. К. Очерки по физиологии функциональных систем. М. Наука, 1980.
2. Бауэр Э. Т. Теоретическая биология. Л. Изд. ИЭМ, 1935.
3. Беленков Н. Ю. Принцип целостности в деятельности мозга. М. Медицина, 1980.
4. Берталанфи Л. фон. Общая теория систем - обзор проблем и результатов. Системные исследования. М. Наука, 1969.
5. Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М. Мир, 1967.
6. Короткова Г. П. Принципы целостности. Л. Изд. ЛГУ, 1968.
7. Мюллер Ф., Геккель Э. Основной биогенетический закон. М.- Л. Наука, 1940.
8. Токин Б. П. Общая эмбриология. М. Высшая школа, 1977.
9. Шмальгаузен И. И. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии. М. Наука, 1982.
10. Шмальгаузен И. И. Регуляция формообразования в индивидуальном развитии. М. Наука, 1964.


Записаться на тренинг ТРИЗ по развитию творческого, сильного мышления от Мастера ТРИЗ Ю.Саламатова >>>

Новости RSSНовости в формате RSS

Статьи RSSСтатьи в формате RSS

Рейтинг – 692 голосов


Главная » Это интересно » ТРИЗ в виртуальном мире медиатехнологий » К ВОПРОСУ О СООТНОШЕНИИ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ В БИОСИСТЕМЕ
© Институт Инновационного Проектирования, 1989-2015, 660018, г. Красноярск,
ул. Д.Бедного, 11-10, e-mail
ysal@triz-guide.com, info@triz-guide.com
 
 

 

Хочешь найти работу? Jooble