А.В.Марков
Неформальные заметки о книге С.Н.Гринченко "Системная память живого"(М.: Мир, ИПИРАН, 2004. 512 с.)
Идею о связи прогрессивной эволюции с иерархической системной организацией живого нельзя назвать новой. Большинство биологов согласны с тем очевидным фактом, что невозможно до конца понять эволюцию биосистем определенного уровня (например, многоклеточных организмов), рассматривая ее в отрыве от вышестоящих уровней системной иерархии (популяций, экосистем, биосферы), также как и от нижестоящих (органических молекул, клеток, тканей и органов). В рамках биологической науки разработано много теорий и моделей, описывающих отдельные аспекты межуровневого системного взаимодействия биообъектов. В качестве примера можно привести модели эволюции экосистем, описывающие эволюционное взаимодействие этих надорганизменных биообъектов со своими составными частями - популяциями, организмами.
Однако глобальной модели, которая охватила бы сразу все уровни системной иерархии живого и выделила бы единые общие механизмы их взаимодействия и взаимообусловленного развития, до сих пор не существует. Более того, сама возможность создания подобной модели никем не доказана и не очевидна. Существуют ли, в самом деле, какие-то общие закономерности, проявляющиеся на всех без исключения уровнях системной организации живого: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, экосистемном, биосферном?
С.Н.Гринченко (доктор технических наук, профессор, сотрудник Института Проблем Информатики РАН) отвечает на этот вопрос утвердительно. В недавно вышедшей книге "Системная память живого" он предлагает на суд биологов модель прогрессивной эволюции живого, основанную на "механизме иерархической адаптивной поисковой оптимизации (МИАПО)". Модель является результатом многолетних исследований в области "теории экстремального управления", одной из наиболее сложных и продвинутых отраслей кибернетики.
Изложить суть концепции в рамках краткого сообщения можно лишь очень грубо и поверхностно. Заинтересованные читатели могут обратиться к тексту книги, которую можно заказать в ИНТЕРНЕТе:
http://www.urss.ru/cgi-bin/db.pl?cp=&page=Book&id=23236&lang=Ru&blang=ru&list=Found; в электронном виде текст доступен по адресу
http://www.ipiran.ru/S.N.Grinchenko/text.shtml .
Основной рабочий блок МИАПО назван "супраконтуром поисковой оптимизации" и состоит из четырех соподчиненных иерархических уровней: двух основных (верхний из которых называется "гегемоном", нижний – "индивидом") и двух промежуточных. Например, если гегемон - многоклеточный организм, то индивид - клетка; нижний промежуточный уровень соответствует тканям, верхний – органам. Индивид данного супраконтура (эвкариотическая клетка) выступает в качестве гегемона в нижележащем (вложенном) супраконтуре, в котором в качестве индивидов выступают "ультраструктурные внутриклеточные элементы" (их автономными аналогами являются прокариоты). Многоклеточный организм, в свою очередь, входит в качестве индивида в вышестоящий супраконтур, в котором гегемоном является биогеоценоз, и т.д.
Супраконтур работает следующим образом. Индивиды (например, клетки), а также объекты двух промежуточных уровней (ткани и органы) совершают "поисковые рыскания" (например, обратимые изменения собственной активности). Чем ниже иерархический ранг объекта, тем выше "тактовая частота" рысканий. Каждый уровень иерархии (как основной, так и промежуточный) имеет собственную характерную скорость, или время изменений. От уровня к уровню это время меняется в е
е 15,15 раз (при выборе данного числа автор воспользовался идеями А.В.Жирмунского и В.И. Кузьмина; однако для того, чтобы супраконтур "работал", такая точность не нужна: достаточно, чтобы характерное время от уровня к уровню менялось примерно в 10-20 раз). Таким образом, постулируется, что изменения состояния тканей "в идеале" происходят в 15,15 раз медленнее, чем клеток; органов – в 15,15 раз медленнее, чем тканей; организма в целом – в 15,15 раз медленнее, чем органов. Постулируется также, что "идеальные" размеры объектов по мере возрастания их иерархического уровня растут в геометрической прогрессии с тем же коэффициентом ee , то есть "идеальный" организм в 15,15 раз больше "идеального" органа и т.д.
"Рыскания" нижестоящих уровней влияют на поведение вышестоящих, которые реагируют на них с неизбежной инерционностью, обусловленной указанной разницей "тактовых частот". За счет этих инерционностей формируется так называемая "системная память". Поскольку гегемон реагирует на "рыскания" индивидов с более чем трехтысячекратной (e
3е) задержкой, получается, что он как бы "помнит" те действия индивидов, которые с их "точки зрения" имели место довольно давно. Системная память позволяет учитывать прошлый опыт для модификации стратегии адаптивного поиска.
Гегемон оценивает поведение всех трех нижестоящих уровней и посылает им в ответ некие управляющие сигналы, направленные на оптимизацию совершаемых ими "рысканий". Оптимизация производится по энергетическому критерию: система стремится минимизировать отношение энергии, затрачиваемой на самоподдержание и внутреннюю регуляцию, к энергии, затрачиваемой на совершение "полезной работы" (например, рост, размножение).
Автор постулирует, что развитие системы живого представляет собой процесс "метаэволюции" – поэтапного формирования все более высоких иерархических уровней. На первом "метаэтапе метаэволюции" сформировались прокариоты, на втором – эвкариотическая клетка, на третьем – многоклеточные организмы, на четвертом – биогеоценозы, на пятом происходит формирование единой "биогеосферы". Сопоставив выделенные "метаэтапы" с длительностью крупнейших подразделений геохронологической шкалы (эонов и эр), автор делает весьма смелое допущение о "соответствии схемы метаэволюции живого эмпирическим данным". Суть допущения в том, что длительность каждого метаэтапа составляла примерно 1,01 млрд лет, а моменты смены метаэтапов совпадают с эмпирически выделенными крупнейшими геохронологическими рубежами. Получилось, что прокариоты должны были появиться 3,6 млрд. лет назад (что по некоторым источникам соответствует рубежу катархея и архея), эвкариоты – 2,59 млрд. лет назад (около рубежа архея и протерозоя), многоклеточные организмы – 1,58 млрд. лет назад (около нижней границы рифея), биогеоценозы – 0,57 млрд. лет назад (около нижней границы фанерозоя). Полноценная биогеосфера должна сформироваться только в будущем, спустя 0,44 млрд лет, а пока она существует лишь в несовершенной форме "псевдобиогеосферы".
Вышеприведенное описание является весьма приблизительным, упрощенным и максимально "адаптированным" для восприятия биологами. В книге все это изложено гораздо сложнее и формальнее. Как биолог, я не могу оценить работоспособность иерархической системы "супраконтуров" с точки зрения кибернетики; в этом отношении следует положиться на компетентность и авторитет автора, которые не вызывают сомнений. Задача биологов – понять, насколько данная схема приложима к реальным биологическим объектам и к "системе живого" в целом.
Конечно, многие мысли автора-математика покажутся биологам странными, а некоторые – просто нелепыми. Таковыми представляются, в частности, радикальные изменения, вводимые С.Н.Гринченко в биологическую терминологию. Например, автор категорически настаивает на том, что термин "организм" должен применяться исключительно к многоклеточным эвкариотам, термин "клетка" – только к эвкариотическим клеткам; "биогеоценоз" – только к системам определенного размера (порядка километров), основу которых составляет сообщество многоклеточных эвкариот, и т.д. Едва ли биологи когда-нибудь согласятся принять эти и многие другие предложения С.Н.Гринченко.
Чувство резкого неприятия вызывает стремление автора загнать многообразие биобъектов в прокрустово ложе "идеальной" размерной иерархии (идеальный прокариот – 350 нанометров, эвкариотическая клетка – 1,2 мм, организм – 4,2 м., биогеоценоз – 15 км и т.д).
В книге много неточностей биологического плана. Это естественно, поскольку автор – не биолог по специальности. Однако нельзя не признать, что, по сравнению с другими математиками, разрабатывающими модели "для биологов", автор весьма глубоко вник в проблематику чужой для него области.
Думаю, что в процессе чтения у многих биологов, как и у меня, при встрече с очередным "ляпом" не раз возникнет желание закрыть книгу и больше ее не открывать. Все же мне кажется, что этому желанию следует противостоять. Слишком велика опасность "выплеснуть вместе с водой и ребенка"; слишком уж нам, биологам, нужна – действительно нужна! – строгая формализованная теория, связывающая эволюцию живого с его иерархической организацией и "системной памятью". Если, конечно, такая теория возможна в принципе.
До самых последних страниц меня не покидала надежда найти внятный ответ на самый, с моей точки зрения, главный вопрос: чему в реальной жизни могут соответствовать ключевые переменные и связи предлагаемой автором модели. К сожалению, ожидаемого ответа я не нашел.
Следует, однако, иметь в виду, что эта книга – отнюдь не "последнее слово" автора по данной теме. Базовые идеи С.Н.Гринченко и выбранный им подход – чрезвычайно актуальны и перспективны. Следует отдать должное С.Н.Гринченко, предпринявшему весьма серьезную попытку интеграции двух столь далеких (и столь необходимых друг другу!) областей науки, как теоретическая биология и кибернетика. В отличие от многих других "биологов от математики", С.Н.Гринченко абсолютно адекватно реагирует на критику и готов к конструктивному сотрудничеству с биологами. Ниже приведено интервью с автором книги, которое даст читателю возможность сделать свои собственные заключения (хотя, конечно, не заменит знакомства с самой книгой).
В заключение хочется выразить надежду, что "оптимизационным критерием" дальнейшего развития идей С.Н.Гринченко будет критерий максимального соответствия биологическим фактам. Для этой работы, безусловно, потребуется конструктивное сотрудничество с профессиональными биологами-теоретиками. Едва ли можно сомневаться в том, что модели, разработанные в рамках теории поисковой оптимизации, могут оказаться в высшей степени полезными для биологии, если только их удастся качественно "привязать" к биологическим реалиям.