Лекция 13. (Системный анализ) Эволюционный аспект развития биосистем.

Темы: Эволюционный аспект развития биосистем.

Описать эволюцию органического мира как историю постепенного развития и совершенствования биологических структур невозможно. Однако уже сравнительное изучение различных представителей живого мира позволяет сформулировать ряд преимуществ высших форм "биологической организованности" по сравнению с низшими и выяснить общие принципы работы живых систем.

1. Существование организма как целостной системы в условиях частых изменений физико-химических свойств внешней среды связано со значительными энергозатратами. Для компенсации затрат любая биосистема должна быть открытой системой, чтобы обеспечить процессы получения, накопления, передачи и использования энергии, поступающей из внешней Среды в виде пищи, воды и кислорода. Эти процессы дают возможность сохранять структуру, обеспечивать выполнение всех функций, исправлять повреждения. Для выживания живые системы должны обладать способностью приспосабливаться к изменениям свойств внешней Среды. При этом важна определенная организация энергии во времени и пространстве, динамика ее передачи биологической системе.

2. Так как приток энергии обеспечивается за счет преобразования питательных веществ, то на первое место на всех уровнях биологической организации выступает экономичность обмена веществ, высокая эффективность использования энергии внешней среды. При этом высшие организмы переходят к более энергоемким продуктам питания — от растительной пищи к животной, с тем, чтобы быстрее получить требуемые элементы для строения организма, для быстрой компенсации неуправляемых изменений структуры.

3. Сравнение низших и высших форм показывает, что простейшие одноклеточные организмы находятся в негативных условиях. С одной стороны, вследствие несовершенства форм преобразования энергии питательных веществ (основной процесс преобразования — брожение), а с другой — в результате большей площади контакта с внешней средой по отношению к объему организма, что приводит к значительным удельным энергозатратам и затрудняет контроль со стороны организма за собственными обменными процессами. Продолжительность существования таких организмов мала, выживание вида достигается интенсивным размножением. У высших форм — более совершенны клеточные механизмы преобразования энергии, больше масса и размеры, внутренняя сложноорганизованная Среда и более разнообразные процессы жизнедеятельности, другие законы размножения, более продолжительный срок жизни.

4. На более высоких уровнях развития биосистем клетки, объединенные в одном организме, частично изолируют себя от влияний внешней Среды, создавая, более регулируемую внутреннюю Среду. Увеличивается вес и объем организмов, уменьшается контакт клеток с внешней средой и, как следствие, снижается удельный расход энергии.

5. Появление внутренней среды, необходимость поддержания параметров этой среды на оптимальных уровнях, приводит к появлению специализированных систем регулирования параметров внутренней Среды. При этом на уровне отдельных систем организма принцип экономичности часто принимает формы минимизации расхода энергии. Изменение параметров отдельных систем происходит в процессе эволюции.

6. Усложнение структуры живых систем в процессе эволюции сопровождается увеличением вероятности отказа в отдельных подсистемах. У высших форм организмов постоянный контроль за работой отдельных органов и систем обеспечивается разветвленной рецепторной подсистемой, пронизывающей всю внутреннюю среду организма.

7. Важнейшей стороной функционирования биосистемы является управление энергетическими процессами, связанными с восприятием, хранением, переработкой и использованием информации. Объем такой информации настольно велик, что происходит обособление восприятия и обработки информации от двигательной деятельности; формируется нервная система, функции которой совсем не "производительные", а целиком управленческие, организующие. Если у низших представителей эволюционного ряда взаимодействие с внешней средой осуществляется в простейшем виде: раздражение — реакция, то у высших представителей при ответе организма в целом на раздражитель нервная система начинает все более тонко учитывать его особенности, связь с предыдущими воздействиями, состоянием организма. Ответы последнего становятся все более дифференцированными, появляется определенная независимость от внешних условий, способность реализовывать жизненно важных программы в значительно изменившихся условиях.

8. Сравнение строения внутренних органов у организмов на разных стадиях эволюционного процесса показывает, что он усложняются, но наиболее значительные перемены прослеживаются в нервной системе, особенно в структуре головного мозга. Нарастает масса мозгового вещества, появляются новые образования, специализированные центры, разрастаются ассоциативные клеточные поля, предназначенные для формирования самых разнообразных временных связей, количество которых многократно возрастает.

Эволюция этой подсистемы у различных организмов происходила различными путями. Процесс эволюции мозга у млекопитающих имеет свои особенности. В их поведении наряду с врожденными формами реагирования большое значение приобретает формирование индивидуального опыта. В частности, специфика мозга у человека состоит в том, что появляется способность к самосовершенствованию, к обучению, усвоению знаний, приобретению новых навыков, анализу ситуаций и выработке нетривиальных приемов решения задач.

9. Целью физиологических механизмов управления является сохранение стационарного термодинамического неравновесного состояния организма (регуляция темпов потоков вещества и энергии). Если процессы управления на рассматриваемом уровне физиологических систем организованы достаточно хорошо, а условия среды не предъявляют чрезмерные требования к ресурсам систем управления, то кроме обеспечения стационарности возникает возможность поддерживать и гомеостазис — постоянство условий во внутренней среде (регуляция уровня вещества и энергии) при достижении высокого качества функционирования биосистем. Это возможно при появлении специализированной управленческой подсистемы, которой подчиняются все органы и физиологические подсистемы организма. Для такой подсистемы формируются более гибкие алгоритмы функционирования, при которых все подсистемы сказываются взаимосвязанными, взаимозависимыми. Выполнение функций может происходить под влиянием сразу нескольких подсистем, а само влияние выражаться в различных физико-химических способах передачи управляющих сигналов: гидродинамическом, гуморальном, нервном и т.д. В процессе эволюции скорость передачи сигналов управления растет и, следовательно, ускоряются реакции на внешние воздействия.

10. Усложнение управленческих задач обусловливает возникновение более эффективных способов управления всей внутренней средой организма. Выполнение жизненно важных программ распределяется между несколькими уровнями управления, механизмы регуляции разделяются на центральные и периферические (локальные), широко используется блочный принцип управления и переработки информации, появляется способность к преднастройке и прогнозированию и т. д.

11. В процессе эволюции выявляется оптимальность однотипности, структурного подобия, взаимозаменяемости элементов в отдельных подсистемах (тканевых и нервных клеток), наличия в некоторых подсистемах (легких, печени, почках и т. д.) полуторакратного и даже трехкратного запаса таких элементов. Этот запас элементов в системах способствует увеличению разнообразия в поведении, обеспечивает большой динамический диапазон — функционирования, позволяет сохранять жизнедеятельность системы в экстремальных, стрессовых ситуациях.