Теория управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств - Новосельцев В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Особое значение метод пространства состояний приобретает в связи с появлением и распространением методов компартментального моделирования, завоевавших уже прочные позиции при исследовании экологических, физиологических, биохимических (прежде всего — фармакокинетических) систем.
Таким образом, в этой части книги закладываются основы, — как общебиологического, так и теоретикоуправленческого плана, — для количественного анализа сохранительных свойств объектов живой природы.
ГЛАВА I
СПЕЦИФИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ
1.1. Живая система
Под биологической (или живой) системой обычно понимается некоторая совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный биологический объект.
Примерами биологических объектов, которые можно рассматривать в качестве живых систем, являются организмы; на суборганизменном уровне — это клетки, ткани, органы, а на надорганизменном — популяции организмов, экосистемы, биогеоценозы, биосфера. Очевидно, что один и тот же биологический объект может как выступать в виде целостной живой системы, так и входить в эту систему в качестве подсистемы или элемента. Однако перечисление примеров живых систем, как бы наглядно оно ни было, не снимает вопроса о том, чем же собственно является «живая система». Четкого различия между живым и неживым указать не удается.
«Жизнь есть сложная совокупность процессов, протекающих в организованной материальной системе и характеризуемых сохранением специфичности системы в потоке обмена веществ и наперекор разнообразным воздействиям наружной среды, если эти воздействия не превышают регулятивную способность системы». Это определение, данное В. Н. Беклемишевым [28], не только сохраняет дух уважения к живому, свойственный высокой биологической науке, но и содержит все основные признаки, которые в разных комбинациях входят в определение живой, или биологической, системы, организма или жизни вообще, предлагаемые для различных уровней организации живой природы.
Обычно обсуждение требований, которым должна удовлетворять живая система, сводится к трем основным вопросам [44, 110, 248, 251, 257].
1. Живые системы являются открытыми системами. Открытой системой называют систему, обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией. Процессы обмена веществ (метаболизм) должны всегда находиться в центре внимания наук, связанных с изучением живых систем.
2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующимися, т. е. они могут обмениваться со средой информацией и перерабатывать эту информацию для поддержания своей структуры и управления процессами метаболизма.
3. Живые системы должны быть самовоспроизводящимися.
Впрочем, легко видеть, что в полном своем объеме это последнее свойство может быть отнесено только к некоторым уровням организации жизни (клетки, организмы). Почка, ожидающая пересадки в аппарате искусственного жизнеобеспечения, является примером живой системы, не обладающей этим свойством [254].
Появляющиеся время от времени определения живых систем, в которых делается попытка дать их исчерпывающие характеристики, все же не решают вопроса о сущности жизни. Приведем одну из наиболее развернутых формул живой системы [333, 334].
Живая система представляет собой частичное подмножество на множестве реальных систем, составленных из растений и животных. Все живые системы обладают следующими характеристиками:
ч>а) они являются открытыми системами;
\б) они используют входы — пищу или горючее — чтобы восстанавливать собственную энергию и исправлять повреждения в своей организационной структуре;
, в) они обладают уровнем сложности, превышающим некоторый минимум;
, г) они содержат генетический материал, состоящий из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), предположительно полученной из некоторой изначальной ДНК, общей для всей жизни;
д) они в значительной степени состоят из протоплазмы, содержащей белки и другие специфические органические компоненты;
е) они содержат в себе решающую систему, которая контролирует всю систему и организует взаимодействие ее подсистем;
ж) они содержат также другие специфические подсистемы или находятся с таковыми в отношениях симбиоза или паразитирования, так что последние выполняют для них такие процессы, в которых живые системы нуждаются;
з) эти подсистемы объединены в целостную систему, обладающую свойствами саморегуляции, развития и самовоспроизведения и имеющую свои цели и задачи;
О* и) они могут существовать только в определенных условиях окружения. Любое изменение в их окружении, такое как вариации температуры, давления, влажности, концентрации кислорода атмосферы или интенсивности радиации, выходящее за
пределы относительно узкого диапазона, существующего на поверхности Земли, вызывает стресс, к которому они не могут приспособиться.
«Общеизвестно, как трудно определить понятие живого»,— лучшего комментария к приведенным выше определениям живых систем, чем это высказывание, принадлежащее известному американскому специалисту по молекулярной биологии Ф. Крику [285], дать нельзя. Тем не менее ясно, что многие основные, фундаментальные свойства живых систем связаны с процессами управления (самоуправления, саморегуляции), протекающими в открытых системах — системах, обменивающихся с окружающей средой веществами и энергией. С этими процессами мы и будем иметь дело в данной книге.
