Страница 6 из 17
1.5. ФОРМИРОВАНИЕ БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ И ПРИНЦИПЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Изучение молекулярных основ жизни составляет одно из новых направлений современной биологии. Данное направление ориентировано на исследование особенностей химической эволюции биомолекул и стремится раскрыть механизмы самоорганизации живых систем. Применяемая здесь методология строится на выделении относительно простых свойств живых систем ( их атрибутивных характеристик). Далее создается гипотетическая модель добиологической системы, которая сопоставляется с набором атрибутивных свойств жизни. В конечном счёте ставится цель показать, что добиологическая молекулярная система может превратиться в биологическую, что такой ход её изменений не противоречит известным научным данным, а также известным законам науки, т.е. он является закономерно обусловленным.
Предпосылкой формирования моделей добиологических систем служит представление о том, что биомолекулы активно ищут гармонического, взаимно согласованного функционирования и активно противостоят разложению, в силу чего несут в себе "принцип сохранения". Другой постулат связан с осознанием того, что живые системы обладают природой становящегося целого. Они базируются на некоторых устойчивых отношениях. Но вместе с тем им свойственны инновации становления, в них возникают качественные дифференциации, над исходными структурами надстраиваются новые элементы и подсистемы. В указанных системах действуют законы преобразования внутренней энергии. Они сами производят свои фундаментальные изменения. Но раз так, то они должны иметь и реально обладают способностью к воспроизводству собственных состояний активности. Эта способность проявляется в их циклическом функционировании. С этих позиций в современной науке изучаются возможности преобразования предбиологических систем в живые системы. В ходе такого изучения главное внимание уделяется выявлению способов самодетерминации, реализация которых обеспечивает переход к высшим формам организации, свойственной объектам жизни.
В этой области исследований возникают специфические проблемы, разрешение которых имеет важное значение для методологии системного моделирования. Фундаментальный вклад в их осмысление вносят работы М. Эйгена, взгляды которого по соответствующим вопросам требуют самостоятельного освещения.
М. Эйген начинает с анализа особенностей отношений, формирующихся на молекулярном уровне живой клетки. Он отмечает, что здесь действуют процессы переноса информации, осуществляется кодирование наследуемых признаков, действует механизм биосинтеза. В этих процессах участвуют два класса молекул: нуклеиновые кислоты и белки. М. Эйген подчёркивает, что информационные процессы этого уровня изучены достаточно хорошо. Известны носители информации (нуклеотиды), изучено их элементарное строение, количественные характеристики, структурные соотношения и упорядоченность элементов. Установлено наличие регуляторов биосинтеза (наличие активного центра, механизма узнавания и т.д.). Раскрыт механизм воспроизводимости нуклеиновых кислот. Рассчитана минимальная длина полипептидной цепи хорошо адаптированного белка. В ней 4-5 активно действующих центров. Она охватывает около 100 аминокислотных остатков. Биологи могут дать количественную оценку возможностей расположения аминокислотных остатков в такой цепи.
М. Эйген и сотрудники его школы полагают, что возникновение биомолекул с их сложнейшими связями и множеством структурных вариаций не могло идти путём слепого перебора массы возможностей. Числовые значения такого перебора столь велики, что реально он не мог иметь место ни на Земле, ни в ходе Космической эволюции. Поэтому реальные белковые молекулы следует рассматривать как уникальные. Но такие молекулы ещё и оптимальны (по скорости протекания микрореакций и по их согласованности) /15/.
Белковые молекулы обладают высочайшей организованностью. Более того, для их изучения требуется понятие самоорганизации. Это обстоятельство настойчиво подчёркивается М. Эйгеном. Для истолкования сверхсложной организации живого М Эйген использует представление о семантической (селективной) информации. Он отмечает, что в информационном процессе есть физическая компонента- сигналы. Но есть и формальная компонента- код (знаковая система). Сочетания, группировки сигналов могут иметь характер кода, если они упорядочены и к ним находится интерпретирующий ключ. Главное же -наличие функциональной упорядоченности сигналов, которая обеспечивает сохранение живой организации (и её дальнейшее развитие).
Из положений, рассмотренных М. Эйгеном, напрашивается вывод, что для систем, организованных как знаковые структуры, законы информации имеют универсальное значение. Управляющее воздействие информации обнаруживается там, где есть альтернативы и есть возможность выбора альтернатив. Информации требуется тем больше, чем больше надо отсечь альтернатив. Процесс не требует информационной регуляции, если он идёт однозначно, без альтернатив, если все возможности кроме одной равны нулю. Известно, что альтернативы могут распределяться случайно-равномерным образом, тогда для их выбора нет предпочтительных условий. Но могут существовать и другие ситуации, когда возможности выбора альтернатив неодинаковы.
Общим таким условием является, как полагает М. Эйген, избыточность ряда или одной возможности / 16/. Так, например, некоторые альтернативы могут возникать чаще других, и они будут выделяться по частоте. Могут также возникать предпочтительные последовательности в выборе альтернатив, когда выбор одной тесно обуславливает выбор некоторых иных (например, в белке есть сложные условия соседства аминокислотных остатков). Но любое ограничение неопределённости выбора альтернатив правомерно характеризовать как прирост информации. Существенно, что этот прирост возникает в рамках самодетерминированного процесса.
М. Эйген считает, что формирование биомолекулярных систем моделируется образами теории игр. Наиболее подходящими к этому случаю оказываются модели стратегических игр. За основу Эйген берёт модели "игры в бисер". В рамках подобной игры есть определенные правила выбора. Есть также фиксированный конечный временной интервал игры. Наконец, имеется результат, обусловленный серией выбора. Во множестве серий этот результат является статистическим параметром, колеблющимся вокруг некоторого среднего значения.
По Эйгену, возможен тип игры, который не связан с совершенно детерминированным результатом - вследствие нивелирования флуктуаций распределения вероятностей. В "игре" хотя и возможен отбор лишь одного состояния или альтернативы, но какая из них "выживает" заранее сказать нельзя, поскольку может сработать механизм флуктуационных катастроф для ряда альтернатив. Правда срабатывает и защита от катастроф - благодаря избыточности некоторых из альтернатив. Об этом Эйген прямо не говорит, но именно так функционирует его модель "игры в бисер".
Надо добавить, что усиление флуктуаций становится новой детерминантой, действующей как фактор отбора и влияющей на направленный процесс эволюции состояний системы. Такой процесс, по Эйгену, охватывается понятием гиперцикла, отражающим особый класс самоорганизующихся химических цепей. Существование гиперцикла предполагает наличие высокоэнергетического строительного материала, который может репродуцировать свои составные части, но может ещё не быть индивидуальным живым существом /17/.
Новизна моделирующего подхода в концепции М. Эйгена состоит в том, что гиперцикловые системы рассматриваются в ней в ряду факторов универсальной эволюции. Базой к тому служит формирование самодетерминированной организации, законы функционирования которой могут служить объяснением перехода от преджизни к живым молекулярным системам.
1.6. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СИСТЕМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Проблемы моделирования, поднимаемые и обсуждаемые кибернетикой, разнообразны и многоаспектны. Их обсуждению посвящена серьезная литература / 18/. Не претендуя на всесторонний анализ этих проблем, сосредоточим внимание на таких фундаментальных идеях, разработка которых выдвигает кибернетику в ряд отраслей знания, сформировавших современную методологическую тенденцию моделирования сложных систем.