ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПЫТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

(Метод технико-биологических аналогий)

А.С.Керженцев

Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино

Два российских журнала (Успехи геронтологии, 2003 и Биохимия, 2004) перепечатали статью из Cancer Cell (2002, 2) Ю.Лазебника (8-10), где автор очень образно и остроумно сравнивает методы научного анализа, которые используют биологи и инженеры, и призывает биологов к созданию формального языка для описания сложных биологических систем. Аргументы противников такого подхода звучат обычно так: живые системы слишком сложны и фундаментально отличаются от объектов, изучаемых инженерами; мы знаем слишком мало, чтобы анализировать организмы и их клетки так, как инженеры анализируют свои системы. Однако общая теория систем возникла 50 лет назад как попытка объяснить сложности организации живых организмов. Людвиг фон Берталанффи и Н.Н.Моисеев (1) рассматривали организмы как физические системы и без дополнительных экспериментов получили новые знания о взаимодействии компонентов живых систем.

В.Г.Суховольский (2004) предпринял успешную попытку применения аппарата экономических наук для описания экологических процессов. Он исходил из того факта, любая природная система при любых сочетаниях факторов среды выбирает самую выгодную для себя траекторию поведения. Ограничение роста дерева заложено в рентабельности использования ресурсов жизнеобеспечения. Применив популярное в экономике уравнение Парето к распределению фитомассы дерева по фракциям, В.Г.Суховольский создал довольно точный метод определения подземной фитомассы без натурных (весьма трудоемких и неточных) измерений. Он обосновал наличие кооперативных взаимодействий между видами в сообществе. Объяснил тенденцию эволюции технических и экологических систем повышением их КПД. По его мнению, (с.135) «единство природы и единство ее описания позволяют нам беззастенчиво брать идеи там, где они более всего развиты. Дарвин взял у экономистов (у Мальтуса) удивительно много. Экономисты неоклассики очень многое взяли у Дарвина. Современные экологи удивительно мало взяли у экономистов». Есть смысл попробовать.

Наше 20-летнее сотрудничество с группой  специалистов Института проблем управления РАН, под руководством проф. В.В.Бугровского, показало плодотворность использования опыта технических наук для изучения функций сложных экологических систем. На основе принципа  информационного единства природных и технических систем мы разработали метод технико-биологических аналогий, который позволяет использовать методы анализа технических систем для изучения механизма функционирования биологических и экологических систем (2-7).

Метод технико-биологических  аналогий  позволяет решать конкретные вопросы функциональной экологии, например, управления механизмом функционирования природных экосистем. Он  дает возможность изучать природные системы как потенциальные объекты управления.

Процесс управления представляет собой серию заранее рассчитанных воздействий, направленных на повышение продуктивности природных систем и их устойчивости к негативным воздействиям естественных и антропогенных факторов. В расчеты  ожидаемых  результатов  от процедуры управления должен закладываться не только максимальный эффект, но и минимальный  ущерб от направленного воздействия. Добиваясь конкретных полезных результатов, нельзя допускать вредных последствий для экосистемы даже в отдаленной перспективе.

Иными словами, направленно воздействовать на механизм функционирования экосистем желательно в пределах естественного диапазона его изменчивости. Для решения этой задачи нужно изучить устройство и принцип  действия механизма функционирования экосистем, количественно оценить возможные реакции этого механизма на воздействия внешних факторов, определить пределы критических изменений параметров экосистем, после которых начинаются нарушения структуры и функций. Нужна теория управления функциями экосистем, которая позволила бы с высокой точностью прогнозировать их поведение при изменениях факторов среды.

Сложный и длительный процесс разработки теории управления функциями природных систем можно значительно облегчить и ускорить за счет использования опыта, накопленного техническими науками в области управления. Основная трудность такого подхода, несмотря на его привлекательность, заключается в том, чтобы доказать сходство или подобие между природными и техническими системами,  которые принято считать антиподами.

Мы воспользовались принципом информационного единства природных и технических систем, который позволяет обнаружить черты сходства в процессе функционирования тех и других систем [2-4]. Суть его заключается в том, что природные и технические системы имеют не только вещественную, но и информационную форму существования. В технических системах эти формы представляют - машина и ее чертежи, в природных системах - фенотип и генотип, т.е. организм и семя. Для того, чтобы информационные формы трансформировались в вещественные необходимо приложить к ним вещество и энергию.

Чертежи машин, не воплощенные в металле, невсхожие семена растений, погибшие зародыши животных являются примерами автономии информационных форм существования природных и технических систем по отношению к вещественным. Вещественные формы существования природных и технических систем сильно различаются, зато их информационные формы имеют много общего и вполне сопоставимы.

На основе принципа информационного единства и природные и технические системы можно отнести к классу информационно-управляющих систем. Разница между ними в том, что созидающим и организующим фактором для технических систем служит воля и действия человека, а для природных систем - генетическая программа развития организма, заложенная в семени, в зародыше.

Условия, при которых происходит переход информационной формы в вещественную, могут значительно отличаться от идеальных как у технических, так и у природных систем. Отступление от технических условий, заданных в проектной документации, отражается на качестве технических систем, их надежности, работоспособности, долговечности. Отклонение параметров среды от оптимального диапазона проявляется в нарушениях структуры и функций природных систем на каждой фазе онтогенеза.

По существу, механизм функционирования  природных систем всех уровней организации (клетка, организм, сообщество, экосистема, биом, биосфера) – их метаболизм принципиально одинаков. На всех уровнях он представлен сочетанием процессов синтеза и распада органического вещества (анаболизм и катаболизм). Различия имеют количественный характер.

Все природные системы развиваются в режиме перманентной адаптации к постоянным изменениям факторов среды в суточных, сезонных, годовых, многолетних циклах. Каждая природная экосистема имеет свой диапазон оптимальных флуктуаций, заложенный в генетическом аппарате отдельных особей. Отклонение реального хода условий от идеального, генетически обусловленного, сказывается на конечном итоге развития системы. Аномалии проявляются в изменении габитуса, массы, продукции системы. Выход условий среды за пределы оптимального диапазона может блокировать генеративную фазу онтогенеза и привести к гибели вида. Отдельные мутанты, выжившие в экстремальных условиях, могут стать родоначальниками нового вида, адаптированного к новым условиям. Реакция экосистемы на отклонение условий от оптимального диапазона проявляется в смене видового состава. Виды, для которых новые условия неприемлемы, уступают место вида, для которых новые условия являются оптимальными.

Маятниковый характер флуктуаций факторов среды приводит к тому, что каждая экосистема вынуждена попеременно реагировать то на  улучшение, то на ухудшение условий среды. Однако реакция экосистемы на изменения факторов среды в сторону минимума и максимума различна. При улучшении условий адаптивная реакция системы не встречает сопротивления и эффект получается максимальный. Зато при ухудшении условий система включает буферные механизмы, которые сдерживают ее реакцию на неблагоприятную смену условий среды. Поэтому после прохождения полного цикла флуктуации условий всегда получается положительный эффект, который выражается в увеличении биомассы, урожая плодов и семян. Следовательно, при любых сочетаниях условий среды любая природная система развивается по наиболее выгодной для нее траектории, которая ведет к увеличению капитала (запаса вещества в биомассе). Вполне возможно, что на этой принципиальной основе происходит процесс экспансии Жизни - непрерывного увеличения биомассы Земли и базируется предсказание В.И.Вернадского о растекании Жизни по Земле, ближнему и дальнему Космосу.

Функционирование информационно-управляющих систем должно быть подчинено определенной цели, для достижения которой они имеют набор функциональных блоков, уровней управления и соответствующих уровней информации, корректирующих процесс достижения цели (управления). Целесообразность технических систем определяется человеком, поскольку всякая машина предназначена для выполнения конкретной цели, средством достижения которой она и является. У природных систем цель – самовоспроизводство - заложена в генотипе. Ради воспроизводства себе подобных (репродукции информационных форм) живые системы адаптируются в пределах генотипа к меняющимся условиям среды. Они могут изменить стереотип поведения, форму и окраску в зависимости от характера и степени отклонения реальных условий среды от идеальных, обусловленных генетическим кодом.

Важно отметить принципиальное различие реакции организма и сообщества на отклонение факторов среды от оптимального диапазона. Организм в ответ на смену условий изменяет режим функционирования, а биоценоз изменяет структуру: одни виды сменяются другими более устойчивыми к новым условиям.

Для того, чтобы перейти от общих рассуждений к описанию природных систем как объектов управления, необходимо проделать большую предварительную работу, которая включает несколько этапов.

1. Выбор природного объекта. Этот тривиальный для техники этап в биологии является содержательным ввиду огромного разнообразия  жизненных форм, видов и сообществ биологических объектов. Смысл этого этапа заключается в том, чтобы подобрать минимальное количество представительных объектов, пригодных для экстраполяции результатов исследований.

2. Проведение глубокой интеграции признаков, свойств и функций выбранных объектов. Вообще, природные системы, даже самые простые, неизмеримо сложнее машин. Живая клетка вполне сравнима по сложности функционирования с большим заводом. Современный уровень знаний не всегда позволяет достаточно детально и точно описать структуру и функции природных систем. Особенно, если учесть низкую точность измерений и информативность параметров. Поэтому целью этапа интеграции является выбор строго определенного минимума информативных характеристик, достаточно полно отражающих существо процесса функционирования изучаемых систем. Интегральные характеристики должны обеспечить высокую точность экспериментальных определений, чтобы снизить до минимума ошибки вычислений и не исказить смысл экспериментов.

Поскольку точность  полевых измерений большинства параметров экосистем находится в пределах 10-20%, то минимизация числа измеряемых параметров путем глубокой интеграции в описании функций природных систем становится очевидной. Даже при измерении пяти параметров с точностью 20%, ошибка определения приближается  к единице и может полностью исказить результат.

3. Выбор технических прототипов природных систем.

Для использования метода технико-биологических аналогий необходимо подобрать такие технические системы, которые позволили бы с максимальными удобствами и наглядностью сопоставить их с изучаемыми природными системами.

В качестве основного объекта наших исследований мы  выбрали  природную экосистему в силу следующих обстоятельств.

1. Структурно-функциональная целостность экосистемы позволяет применить к ней понятие цели в смысле Н.Н.Моисеева [1]. Целью экосистемы, в соответствии с представлениями В.И.Вернадского, можно считать оптимизацию метаболизма в разных климатических условиях для надежного обеспечения репродукции.

2. Функционирование экосистемы допускают глубокую интеграцию ее параметров на основе принципа экосистемного метаболизма [2]. Интегральными параметрами структуры экосистемы являются общая масса (экомасса) и составляющие: биомасса (фитомасса, зоомасса, микробиомасса), некромасса (опад, подстилка, гумус) и минеральная масса (газы, соли, коллоиды). Интегральными параметрами функционирования являются емкости и скорости процессов анаболизма, некроболизма и катаболизма.

3. Механизм функционирования экосистемы допускают декомпозицию ее на функциональные блоки: "фитоценоз" и "педоценоз", которые сами представляют собой биосистемы более низкого уровня. Каждый блок имеет свою частную цель в едином цикле экосистемного метаболизма: а) синтез органических веществ биомассы из минеральных (фитоценоз) и б) деструкция органических веществ отмершей биомассы до полной ее минерализации (педоценоз). Гумификация или вторичный синтез органического вещества в почве является промежуточным процессом накопления и сохранения элементов минерального питания фитоценоза.

Совокупность автотрофных организмов образует фитоценоз - компонент экосистемы, выполняющий функцию анаболизма или ассимиляции минеральных элементов для синтеза органической массы с помощью солнечной энергии. Все живые системы обладают общим преимуществом перед косными. Они способны в самых разных условиях среды выбрать самую выгодную для себя траекторию развития, благодаря буферным механизмам, сдерживающим реакцию системы на ухудшение условий среды. Поэтому оптимизация анаболизма является причиной реагирования фитоценоза на смену факторов среды, которую можно принять в качестве цели фитоценоза. Соответствующие цели имеют почва (педоценоз) и экосистема: оптимизация катаболизма и метаболизма.

По окончании биологического цикла все организмы отмирают и в форме некромассы поступают в почву, выполняющую в экосистеме функцию катаболизма или диссимиляции органических веществ на минеральные элементы. Взаимодействие противоположно направленных процессов анаболизма и катаболизма составляет главную функцию экосистемы ее метаболизм (обмен вещества и энергии) как способ обновления живого вещества.

Экосистема как объект управления имеет следующие функциональные блоки:

1. Блок Анаболизма. Состоит из двух противоположных процессов – фотосинтеза и дыхания. Включает весь комплекс автотрофных организмов, осуществляющих ассимиляцию минеральных элементов и солнечной энергии для синтеза первичной биологической продукции экосистемы  (фитомассы), часть которой расходуется на собственное жизнеобеспечение (дыхание).

2. Блок Некроболизма, который можно определить как генетически запрограммированное завершение цикла онтогенеза, омертвление тканей и связанное с этим перераспределение вещества в репродуктивные органы (цветы, плоды, семена). Блок некроболизма соединяет блоки анаболизма и катаболизма и регулирует потоки вещества в системе, обеспечивая при этом воспроизводство генофонда в будущем.

3. Блок Катаболизма, функцией которого является деструкция органического вещества некромассы до полной минерализации через сложную цепь превращений фракций органического вещества, их последовательного многократного вторичного синтеза и распада. Состоит из двух процессов: минерализации и гумификации.

Использование метода технико-биологических аналогий позволило четко разделить параметры структуры и функции биосистем. Например, с позиций структуры листья и корни отличаются друг от друга принципиально, а с позиций функции они составляют единый аппарат ассимиляции минеральных элементов для синтеза биомассы. Только листья ассимилируют минеральные вещества в форме газов, а корни – в форме солей (ионов).

Метод позволил увидеть принципиальную разницу между естественными и антропогенными факторами воздействия на экосистемы. Естественные факторы (свет, тепло, влага) могут ускорить или замедлить скорости процессов метаболизма экосистемы. Антропогенные факторы воздействуют на структуру экосистемы путем привноса, отчуждения или трансформации экомассы и ее составляющих: биомассы, некромассы и минеральной массы. Чтобы изменить экомассу с помощью естественных факторов, нужно изменить соотношение скоростей процессов анаблизма, некроболизма и катаболизма манипуляциями потоков света, тепла и влаги. Этот процесс длительный и сложный. Поэтому природные экосистемы так устойчивы к изменениям среды. Антропогенные факторы воздействуют непосредственно на структуру экосистемы: рубка леса, сбор урожая, внесение минеральных, органических, сидеральных удобрений. В природнобстановке так действуют стихийные бедствия: пожары, землетрясения, обвалы, оползни, наводнения. Поэтому так опасны непродуманные антропогенные воздействия. Нужно учиться у природы методам надежного управления механизмом функционировнаия экосистем для повышения их продуктивности без потери устойчивости к стрессам.

Однако противопоставлять человека природе не рационально. Гораздо интереснее и плодотворнее считать человека элементом природной системы, наделенным необычным свойством – интеллектом, который дал ему как биологическому виду целый ряд преимуществ. Все технические средства, созданные человеком являются усилителями его физических возможностей: зрение, слух, мышечная сила и т.п.

Моделирование механизма функционирования экосистемы как информационно-управляющей системы более адекватно отражает существо природных процессов и позволяет прогнозировать поведение экосистемы при различных сочетаниях естественных и антропогенных факторов. Уже возникла потребность привлечения к работе экономистов и даже финансистов Суховольский, 2004), которые владеют методами описания выгодного поведения человека в операциях бизнеса. Дело в том, что природные системы при любых сочетаниях внешних условий выбирают наиболее выгодную траекторию поведения, чтобы реализовать функцию репродукции – воспроизводства себе подобных.

Литература.

1. Моисеев Н.Н. "Человек и ноосфера". М.,Молодая гвардия, 1990. 351 с.

2. Бугровский В.В., Зеленская Н.Н., Керженцев А.С., Мокроносов А.Т., Стебаев И.В., Хакимов Ф.И. Экосистемная стратегия жизни. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1992. 15 с.

3. Бугровский В.В., Керженцев А.С., Мокроносов А.Т. Об аналогии  явлений в жизни и технике с позиций информатики. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1990.

19 с.

4. Керженцев А.С., Зеленская Н.Н. Роль почвы в структуре и функциях природных экосистем. Информационные проблемы изучения биосферы. Экспреримент «Убсу-Нур». Пущино, ПНЦ РАН, 1986. 62-77.

5. Идентификация и диагностика в информационно-управляющих системах авиакосмической энергетики. Отв. Ред. В.В.Бугровский. М.,Наука, 1988. 167 с.

6. Карпов Е.М. Интеллектуальное поведение живых и технических

систем. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1990. 156 с.

7. Интеллектуальные системы автономных аппаратов для космоса и океана и метод технико-биологических аналогий. Отв. Ред. В.В.Бугрповский. М., ИПУ РАН, 1997. 213 с.

8. Ю.Лазебник. Может ли биолог починить радиоприемник, или что я понял, изучая апоптоз. Биохимия, 2004, т.69, вып. 12, 1720-1724.

9. Тоже…Успехи геронтологии, 2003, вып.12. 166-171.

10. Yu. Lazebnik. Can a biologist fix a radio? Or what I learned while studying apoptosis. Cancer cell, 2002, 2, 179-182.

11. Суховольский В.Г. Экономика живого. Новосибирск, Наука, 2004. 139 с.