Лекция 2. Метод технико-биологических аналогий (ТБА).

Использование опыта технических наук для решения экологических проблем. ИУС растение, почва, экосистема.
Взгляд на интимные биологические процессы через прагматическую призму технических наук. Возможность дедуктивного подхода к анализу биологических объектов, живых систем как потенциальных объектов управления.
Информационно-управляющие системы:

• Автономный космический аппарат;
• Растение (Фитоценоз);
• Почва (Педоценоз);
• Экосистема.

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 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, созданные человеком. Однако общая теория систем возникла более 50 лет назад как попытка объяснить сложности организации именно живых организмов. Людвиг фон Берталанффи и Н.Н.Моисеев (1) рассматривали организмы как физические системы, что позволило им без дополнительных экспериментов получить новые знания о взаимодействии компонентов живых систем. 
Наш опыт 20-летнего сотрудничества с группой  специалистов Института проблем управления РАН под руководством проф. В.В.Бугровского и академика А.А.Воронова, показало плодотворность использования опыта технических наук для изучения функций сложных экологических систем. На основе сформулированного нами принципа  информационного единства природных и технических систем, мы разработали метод технико-биологических аналогий (ТБА), который позволяет использовать арсенал методов анализа технических систем для изучения механизма функционирования биологических и экологических систем (2-7).
Метод технико-биологических  аналогий (ТБА) позволяет решать конкретные вопросы функциональной экологии, например, описать в форме имитационной модели принцип функционирования природных экосистем и использовать этот принцип для изучения природных систем как потенциальных объектов разумного управления. 
Процесс управления представляет собой серию заранее рассчитанных воздействий, направленных на повышение эффективности функционирования 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 процедуры 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 и следует 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 их структуры и функций. Нужно сформулировать теорию управления механизмом функционированя экосистем (метаболизмом), которая позволила природе преодолеть всевозможные катаклизмы и сохранить живые системы в течение миллиардов лет естественной эволюции. Это необходимо для того, чтобы с высокой точностью прогнозировать поведение экосистем при конкретных изменениях естественных и антропогенных факторов среды.
Сложный и длительный процесс разработки теории управления функциями природных систем отнимет много времени и сил. Но его можно значительно сократить за счет использования опыта, накопленного техническими науками в области управления техническими системами. Основная трудность такого подхода, несмотря на его привлекательность, заключается в том, чтобы доказать сходство или хотя бы подобие природных и технических систем,  которые принято считать антиподами.
Нам удалось сформулировать принцип 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 или техническая документация, в природных системах - фенотип и генотип, организм и семя с его генетической программой. Для того, чтобы информационные формы трансформировались в вещественные необходимо приложить к ним вещество и энергию.
Чертежи машин, не воплощенные в металле, невсхожие и спящие семена растений, погибшие и хранящиеся в криобанках зародыши животных являются примерами автономного существования информационных форм природных и технических систем, независимо от наличия вещественных форм. Несмотря на то, что вещественные формы природных и технических систем различаются принципиально, их информационные формы имеют много общего и вполне сопоставимы для оценки и анализа. 
На основе принципа информационного единства, и природные, и технические системы можно отнести к единому классу информационно-управляющих систем (ИУС). Разница между ними заключается лишь в том, что создающим фактором для технических систем служит воля и разум человека, а для природных - генетическая программа развития организма (онтогенез), заложенная в семени, в зародыше и ее реализация сопряжена с адаптацией к реальным условиям среды.
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 фенофазе биоценоза и на каждой стадии онтогенеза. Это приводит к разным результатам.
    В качестве примера технической информационно-управляющей системы мы взяли автономный космический аппарат (АКА), способный принимать самостоятельные решения после достижения заданной точки космического пространства. Его цель – достигнуть заданных координат, получить информацию о заданном объекте и передать ее на Землю. Для достижения этой цели АКА оснащен функциональными блоками: а) блок движения; б) блок навигации; в) блок научной аппаратуры; г) блок внутренней связи; д) блок внешней связи. По команде с Земли он достигает заданной точки, самостоятельно включает нужную аппаратуру, в зависимости от реальной картины объекта, получает нужную информацию и передает ее на Землю.
    Для сравнения природных систем с техническими мы использовали живые системы разного уровня организации: растение (фитоценоз), почва (педоценоз) и экосистема. 

 
Рис.1. ИУС - растение (фитоценоз).

Растение,  как информационно-управляемая система  имеет три функциональных блока, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой, что позволяют реализовать главную цель функционирования организма- его репродукцию или размножение:
    а) блок ассимиляции  минерального вещества  для синтеза фитомассы или первичной биологической продукции (листва,  хвоя,  сосущие корни),  при этом филлосфера ассимилирует  минеральные  вещества  в форме газов из атмосферного воздуха, а ризосфера - в форме ионов почвенных растворов;
    б) блок коммуникации, осуществляющий внутренние связи между компонентами системы растения, а также между целым организмом и средой его обитания (стебли,  ветви, проводящие корни);
    в) блок репродукции (цветы,  плоды,  семена), реализующий главную цель  данной природной системы:  воспроизводство здорового потомства с учетом всех возможных потерь вследствие гибели семян и подроста от болезней, вредителей, пожаров, поедания животными и человеком, попадания в неблагоприятные условия и т.п.
    Для достижения  цели в изменчивых условиях среды,  растение имеет несколько уровней управления процессом онтогенеза,  которые  позволяют живой системе  устойчиво функционировать в широком диапазоне флуктуаций факторов среды. Управление функциями растения  осуществляется  на основе информации о динамике и ритмике изменений факторов среды при прохождении каждой фазы онтогенеза.
    Идеальная или  генетически  запрограммированная  кривая смены фаз онтогенеза должна сопровождаться соответствующей кривой смены факторов среды.  Отклонение  факторов среды от идеала на каждом отрезке кривой онтогенеза вызывает специфическую реакцию функциональной системы  растения,  т.е. отклонение данного отрезка кривой онтогенеза от нормы,  каждое из которых по-своему отражается на общем итоге всего цикла развития (фенотипа).
    Самый нижний уровень управления может изменить строение (структуру) соответствующего функционального блока в зависимости от  того,  на каком этапе развития отклонились от оптимальной для генотипа  кривой реальные условия среды.  Например,  различия  освещенности  листьев  в разных частях кроны в разные периоды вегетации проявляются в различии листьев, расположенных в разных участках кроны.
    Такая же дифференциация происходит  в  корнях,  стеблях,  цветах, плодах и семенах. Их структура и масса формируется в строгом соответствии с отклонениями реальных условий среды от оптимальных на всех этапах вегетации. 
    Второй уровень управления может изменить ритмику функционирования каждого блока в зависимости от реального хода условий среды.  Темпы дыхания, ритмика открытия и закрытия устьиц,  сокодвижения,  цветения,  опыления и т.п. зависят  от степени соответствия хода реальных условий характеру оптимальной кривой,  запрограммированной в генетическом коде данного вида.
    Третий уровень  управления  суммирует  работу  всех ячеек каждого функционального блока в целостный результат.  Благодаря совокупной работе всех листьев и корней с их индивидуальными размерами и массами, в индивидуальном режиме, на каждом этапе развития формируется определенная крона (филлосфера) и корневая система (ризосфера) растения,  которые позволяют идентифицировать видовые признаки растения и  диагностировать степень их отклонения от стандартного габитуса.
      Четвертый уровень управления координирует функции отдельных  блоков  и  формирует  общую структуру растения с его видовыми признаками, координирует общую ритмику функционирования всех блоков системы и последовательность прохождения фаз онтогенеза, обеспечивает гармонию формы всего растения на всех этапах его развития.
    Пятый уровень  управления осуществляет адаптацию всего растения к реальным условиям данного экотопа в сравнении с оптимальным для  данного генотипа.  Кедровый сланик,  березовое криволесье,  карликовые сосны - яркие примеры результатов адаптации видов  к  несвойственным  условиям среды.  Хотя и эти клоновые признаки уже закреплены в генетическом аппарате,  а значит уже стали оптимальными для  растений,  вегетирующих  в данных условиях среды.
    Совокупность автотрофных организмов образует фитоценоз  -  компонент экосистемы,  выполняющий функцию анаболизма или ассимиляции минеральных элементов для синтеза фитомассы с  помощью  солнечной энергии. Поэтому в качестве цели фитоценоза можно принять оптимизацию  анаболизма к реальным факторам среды.  Соответствующие цели имеют почва и экосистема: оптимизация катаболизма и метаболизма. 
    Оптимизация метаболизма означает достижение результатов функционирования (экомасса), соответствующих данным условиям среды. То же самое можно сказать и по поводу оптимизации его составляющих: анаболизма, некроболизма и катаболизма.

Рис.2. ИУС почва (педоценоз).

Почва (педоценоз) как информационно-управляющая система для достижения цели оптимизации катаболизма имеет три функциональных блока:
    1) блок аккумуляции (опад,  подстилка,  гумус) - совокупность отмерших органических веществ фитомассы,  зоомассы,  микробиомассы, объединенная термином "некромасса";
    2) блок минерализации (диссимиляции) - гетеротрофный биологический комплекс, осуществляющий ступенчатую деструкцию и минерализацию некромассы,  в ходе которой высвобождаются минеральные элементы. 
         3) блок гумификации, осуществляющий вторичный синтез специфических для почвы органо-минеральных веществ, объединяемых термином - "гумус"; который является стратегическим запасом экосистемы, хранилищем ЭМП.
    Механизм функционирования педоценоза также имеет пять уровней управления и соответствующие уровни информации о факторах  среды, к которым адаптируется функция катаболизма экосистемы.
    Первый нижний уровень управления формирует структуру каждого блока в соответствии с динамикой условий данного экотопа.  Соотношение опада,  подстилки, фракций гумуса, групп гетеротрофной биоты,  состава газовой фазы и почвенных растворов строго  соответствует соотношению гидротермических условий.
    Второй уровень управления определяет время обновления вещества  в каждом блоке (аккумуляции, минерализации, гумификации),  его характерное время. 
    Третий уровень управления формирует реальный профиль почвы и  режим его функционирования (суточный.  годовой, многолетний). Генетический профиль почвы  (почва-память)  соответствует  средним  многолетним климатическим условиям. Состав газовой, жидкой и живой фаз почвы определяется реальным соотношением гидротерических условий.
    Четвертый уровень управления координирует соотношение структуры и функций всех блоков педоценоза как единой системы.  Любые изменения внешних условий отражаются сначала на изменении режима функционирования педоценоза, а затем на изменении структуры почвенного профиля.
    Пятый уровень  управления определяет интегральные параметры адаптации педоценоза к долговременным устойчивым изменениям факторов среды, которые отражаются в строении профиля и режиме его функционирования. Это позволяет количественно согласовать функции анаболизма и катаболизма как компонентов интегрального процесса метаболизма экосистемы.

Рис.3. ИУС-Экосистема.

ИУС-Экосистема (рис.3), как информационно-управляемая природная система высшего порядка имеет три функциональных блока:  а) блок анаболизма или ассимиляции простых минеральных элементов для синтеза сложных органических веществ с помощью солнечной энергии;  б) блок некроболизма или отмирания биомассы с одновременным возрождением новой жизни в форме семян и зародышей. Этот блок выполняет  функции буфера,  смягчающего несогласованность реакций анаболизма и катаболизма экосистемы при изменениях факторов среды; в) блок катаболизма или диссимиляции сложных органических веществ отмершей  биомассы  на  простые минеральные с  высвобождением  энергии химических связей,  которую использует гетеротрофная биота при деструкции и минерализации  некромассы. Однако функциональную схему экосистемы пришлось строить по другому принципу, о котором будет сказано в следующей лекции..

Продолжение. 
По существу, метаболизм или механизм функционирования  живых систем всех уровней организации (клетка, организм, сообщество, экосистема, биом, биосфера) принципиально идентичен, поскольку на всех уровнях организации жизни представлен сочетанием процессов синтеза и распада органических веществ (анаболизма и катаболизма). Различия имеют исключительно количественный характер.
Все природные живые 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 оптимального, генетически обусловленного, сказывается на конечном итоге развития всей 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 среды.
В связи с постоянными колебаниями факторов среды в суточном, годовом и многолетних циклах, живые организмы экосистемы вынуждены функционировать в переменном режиме: оптимальном, пессимальном или экстремальном. В оптимальном режиме все биохимические реакции и физиологические процессы совершаются с нормальной средней скоростью, при которой организмы проходят все стадии онтогенеза и производят здоровое потомство. В пессимальном режиме цикл метаболизма совершается в замедленном темпе, при котором не все организмы успевают проходить генеративную стадию онтогенеза и выпадают из состава экосистемы. В экстремальном режиме скорость метаболизма возрастает до предела возможностей организмов. В результате быстрого истощения ресурсов экотопа создается их дефицит и экосистема деградирует.  
Функционирование информационно-управляющих систем подчинено определенной цели, для достижения которой они имеют набор функциональных блоков, уровней управления и соответствующих уровней информации, корректирующих процесс управления. Целесообразность технических систем определяется человеком, поскольку всякая машина предназначена для реализации какой-то цели, поставленной человеком. У природных систем цель – воспроизводство - заложена в генотипе. Ради воспроизводства себе подобных (репродукции информационных форм существования) живые системы адаптируются в пределах фенотипа к меняющимся  условиям среды. Они могут изменить стереотип поведения, форму и окраску в зависимости от характера и степени отклонения реальных условий среды от оптимальных, обусловленных генетическим кодом. 
Важно учитывать принципиальное различие реакции организма и экосистемы на отклонение факторов среды от оптимального диапазона. Организм в ответ на смену условий изменяет режим функционирования, а экосистема изменяет структуру: одни виды заменяются другими более устойчивыми к новым условиям. 
Для того, чтобы перейти от общих рассуждений к описанию природных экосистем как потенциальных объектов управления, необходимо проделать 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 сочетаний 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, живые системы, даже самые простые, неизмеримо сложнее самых сложных машин. Живая клетка вполне сравнима по сложности функционирования с крупным заводом. Современный уровень знаний не всегда позволяет достаточно детально и точно описать структуру и функции живых систем. Особенно, если учесть низкую точность измерений и малую 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 не превышает 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 затемняет результат.
3. Выбор технических прототипов природных живых системам. 
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 была выбрана  природная экосистема 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 ее 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 допускает ее дифференциацию 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 элементов (фитоценоз); б) минерализация отмершей биомассы с гумификацией не востребованных фитоценозом элементов (педоценоз).
Совокупность автотрофных организмов фитоценоза выполняет функцию анаболизма или ассимиляции минеральных элементов для синтеза фитомассы с помощью солнечной энергии. Совокупность сапротрофной и гетеротрофной биоты педоценоза выполняет функцию катаболизма  или диссимиляции отмершей биомассы на минеральные элементы. Оптимизацию анаболизма путем реагирования фитоценоза на смену факторов среды можно принять в качестве цели фитоценоза. Соответствующие цели имеют педоценоз (почва) и экосистема: оптимизация катаболизма и всего цикла метаболизма.
В цикле метаболизма экосистем пришлось выделить дополнительную функцию, которую биологи обычно игнорируют – некроболизм. Эта функция осуществляет процесс превращения живой биомассы в мертвую некромассу. Дело в том, что в онтогенезе любой особи можно выделить два главных этапа: вегетативный и генеративный. Первый этап формирует структуру и габитус живой системы, а второй обеспечивает репродукцию или самовоспроизведение, которое продолжает жизнь в следующем поколении. Сформированный вегетативно организм способен добывать больше ресурсов, чем нужно для его жизнеобеспечения. Эти «излишки» он расходует на развитие генеративных органов и акты размножения. Функция некроболизма состоит из сочетания процессов некроза и возрождения, то есть в процессе постепенного старения и отмирания организм создает условия для продолжения жизни в следующем поколении (цветы, плоды, семена, споры, зародыши). 
 

Рис.4. Функциональная структура экосистемы.

Экосистема как объект управления имеет следующие функциональные блоки (рис.4):
1. Анаболизм, представленный двумя противоположными процессами – фотосинтез и дыхание, а в более широком смысле биосинтеза и экскреций. Включает весь комплекс автотрофных организмов, осуществляющих ассимиляцию минеральных элементов для синтеза первичной биологической продукции экосистемы  (фитомассы), часть которой расходуется на собственное дыхание. Сюда же относится биосинтез вторичной биологической продукции – зоомассы и продуктов ее выделений в форме газов, жидких и твердых экскреций. 
2. Некроболизм, который можно определить как генетически запрограммированное отмирание органов и организмов при завершении цикла онтогенеза, старение тканей и связанное с этим перераспределение вещества в репродуктивные органы (цветы, плоды, семена. споры, зародыши). Блок некроболизма регулирует потоки вещества в системе, обеспечивая воспроизводство генофонда.
3. Катаболизм, осуществляет минерализацию органического вещества некромассы с последующей гумификацией не востребованных фитоценозом минеральных элементов, обеспечивает функцию анаболизма и создает запасной фонд экосистемы..
Использование метода технико-биологических аналогий (ТБА) позволило четко разделить параметры структуры и функции биосистем. Например, с позиций структуры листья и корни растения отличаются принципиально, а с позиций функции они составляют единый аппарат ассимиляции минеральных элементов для синтеза фитомассы: листья ассимилируют газы, а корни растворы. Метод ТБА показал принципиальную разницу между воздействием на экосистемы естественных и антропогенных факторов. Естественные факторы (свет, тепло, влага) воздействуют непосредственно на функцию экосистемы. Они могут ускорить или замедлить функции анаболизма, некроболизма и катаболизма, и этим изменить результативность метаболизма экосистемы. Антропогенные факторы воздействуют непосредственно на структуру экосистемы путем привноса, отчуждения или трансформации экомассы и ее составляющих: биомассы, некромассы и минеральной массы. Поэтому воздействие естественных факторов направлено на поддержание гомеостаза метаболизма экосистем, а антропогенные факторы на нарушение их структуры. 
Моделирование механизма функционирования экосистемы как информационно-управляющей системы 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, которые владеют методами описания выгодного поведения человека в операциях бизнеса. Дело в том, что живые природные системы при любых сочетаниях внешних условий выбирают наиболее выгодную для себя 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. 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.