История биологии с начала XX века до наших дней - [303]
Постановка проблемы надежности привела к новому подходу ко многим вопросам биологии. И.И. Шмальгаузен (1958–1963), например, рассмотрел под этим углом зрения полигены (повторение генов со сходным выражением), диплоидность и полиплоидность организмов и т. п. Им затронут также вопрос о циркуляции информации в процессе смены поколений и в эволюции. Работами Шмальгаузена была установлена связь дарвиновской теории эволюции с теорией информации.
В конце XIX и начале XX в. в математике стала усиленно развиваться теория динамических систем, возникшая на основе теории дифференциальных уравнений. В технике этому соответствовала разработка теории автоматического управления (регулирования). Одним из фундаментальных положений этой теории явилось понятие «обратной связи» и формулирование принципа управления по отклонению фактического состояния управляемого объекта от заданного. Развитие теории информации и статистических методов исследования управляющих систем позволило Н. Винеру (1948) сформулировать ряд положений о единстве принципов управления в технических системах и живых организмах: было установлено наличие и большое значение обратной связи и управления по рассогласованию в биологических системах, а также информационный характер процессов регулирования и управления в биологии.
Норверт Винер. 1895–1964.
Понятие обратной связи, впервые систематически использованное применительно к биологическим системам Винером, в качественной форме складывалось раньше. Его можно встретить в ряде биологических работ, посвященных изучению регуляторных процессов и механизмов [Н.А. Белов, 1911; сенсорная коррекция, Н.А. Бернштейн, 1934; обратная афферентация, П.К. Анохин, 1935 (Ленинская премия, 1972); «плюс-минус взаимодействие», М.М. Завадовский, 1941[245]; и др.].
Широта и общность понятия обратной связи привели к проникновению в биологию методов анализа систем регулирования и способствовали бурному развитию биологических областей, в которых применимо моделирование. О степени проникновения идей управления в биологию можно судить по попыткам использовать понятие обратной связи и управления для формального описания понятия жизнь и живое (А.А. Ляпунов и С.Л. Соболев, Н.В. Тимофеев-Ресовский), показавшим, что любая живая система может рассматриваться как сложная иерархическая система управления, обеспечивающая сохранение и поддержание множества параметров, точно определяющих существование живого объекта и его целостность.
Подход к биологическим системам с позиций теории управления привел к появлению большой серии исследований по изучению частотных характеристик отдельных биологических регуляторных систем, по выявлению конкретных морфологических основ реализации обратных связей и обеспечения надежности передачи информации, необходимой для управления, по изучению устойчивости, точности и помехозащищенности этих систем. Вот некоторые направления исследований, связанные с проблемой управления в биологических системах.
Изучение поведения клеток в организме и в культуре ткани позволило обнаружить в них разнообразные регуляторные процессы, а также влияние внешних факторов на деление и движение клеток, синтез тех или иных продуктов и т. д. Наиболее детально изучен в настоящее время процесс регуляции синтеза ферментов в бактериальных клетках. Полученные результаты позволили Ф. Жакобу и Ж. Моно (1961) предложить модель регуляции, основанную на представлении о положительной и отрицательной обратной связи (см. главу 23). При появлении в клетке некоторых питательных веществ начинается энергичный синтез ферментов, необходимых для их обработки. Этот процесс идет по принципу положительной обратной связи. Напротив, при избытке конечных продуктов некоторых реакций происходит репрессия — подавление синтеза ферментов, необходимых для образования этих продуктов. Жакоб и Моно показали, что регуляция синтеза осуществляется особыми генами-операторами, вырабатывающими специфические белковые вещества, которые играют роль регулирующих сигналов. В ряде случаев показано, что этот процесс дублируется другой параллельной системой регуляции, которая связана не с полным блокированием синтеза ферментов, а с изменением их активности. При этом избыток конечного продукта снижает активность фермента, катализирующего первую реакцию в цепи биосинтеза данного продукта. Известны реакции, в которых, напротив, активность фермента повышается. Наличие двух независимых систем регуляции существенно повышает надежность работы всей системы. Таким образом, эта наиболее обоснованная схема регуляции синтеза ферментов аналогична техническим системам регуляции.
Один из важнейших биологических процессов, идущий самопроизвольно или индуцируемый внешними воздействиями, — процесс клеточного деления. При этом процессе идут многочисленные реакции синтеза, удвоения клеточных структур, совершаются механические перемещения, приводящие к обособлению дочерних клеток. Для описания этого процесса, являющегося одной из наиболее характерных особенностей живых систем, было предложено несколько математических моделей.
