Б. Биологический уровень организации материи

Для биологического уровня развития материи справедливы закономерности неживой материи, хотя в их проявлении имеются определенные особенности, в то же время появляются новые свойственные только живым организмам законы и тенденции развития. Явления живой природы сложнее. Здесь также имеет место формализация совокупности условий в виде набора функционалов, но ранжирование функционалов для каждого живого существа свое — это оптимальный способ поведения. По мере изменения внешней среды меняется упорядоченность функционалов. Переранжирование функционалов производится адаптационными механизмами. Условный и безусловный рефлексы — механизмы ранжирования.

Первое, что нужно ввести при изучении процессов, протекающих в живой материи, это понятия: цель, информация, обратная связь, гомеостатиз.

Движение в живой природе всегда целенаправленно. Цель однозначно связана с причинностью. Для естественников здесь нет вопросов, но существуют философская сторона дела. В основе религиозной теологии лежит представление о высшей цели. Постепенно сложилось понятие, что целенаправленное действие присуще человеку. Гегель уже допускал существование у любого живого существа внутренней целесообразности. Энгельс отметил, что планомерные действия существуют в зародышевом виде везде, где живой белок существует и реагирует, совершая определенные действия, как следствие на раздражения извне.

Отсюда определение. Всем живым организмам свойственны целенаправленные действия различной сложности и природы. То есть общей закономерностью у сознательного целеполагания и несознательного функционирования самоуправляемой системы любой природы является направленность к достижению определенного результата.

Здесь не предполагается тождественность разумных, основанных на прогнозе последствий действий человека и рефлексивных действий живых организмов, обладающих генетической памятью. Хотя границу порой провести трудно. Например, городские вороны действуют, базируясь не только на генетическую память.

Когда появляется цель, тогда для отбора движения возникают. управление и отрицательная обратная связь.

Как управление определяется целью, покажем на примере полета стрижа. Ускорение полета является функцией положения крыла, а при приближении к земле и функцией расстояния от земли. Чтобы стриж не разбился при приближении к земле, управление обеспечивает у земли равенство нулю скорости полета. Здесь и существует обратная отрицательная связь, обеспечивающая выполнение принятого решения — достижения поставленной цели.

Таким образом, организация в живом мире рождает совершенно новый механизм развития — обратную связь. Наличие обратной связи одно из основных отличий живого от неживого. Живое существо — организм, имеющий свои цели и механизмы их реализации. Обратная связь не выводится из законов сохранения, она порождается целенаправленностью действий, что имеет место только в живой природе — это и есть механизм отбора.

Отрицательная обратная связь обеспечивает выполнение поставленной цели и в зависимости от вида управляющего сигнала она разделяется на стабилизацию, программное управление и следящие системы. Положительная обратная связь способствует поиску и достижению целей более высокого уровня. Однако при отсутствии контроля положительная обратная связь может привести к выходу на тупиковые ситуации.

Принцип обратной связи лежит в основе всех эволюционных процессов, так как в результате действия обратной связи выделяются те индивиды, поведение которых наилучшим образом обеспечивает их стабильное существование при изменении внешних условий. В неживой природе отрицательная обратная связь является созданием человека — живая материя порождает саму себя и целенаправленно использует неживую материю.

Из роли обратной связи непосредственно следует принцип гомеостатиза (гомеостаза).

Согласно принципа гомеостатиза живой организм существует внутри гомеостаза (области гомеостаза) — области пространства параметров внешней среды, в пределах которой обеспечивается (возможна) жизнедеятельность организма. Границы области гомеостатиза — это множество критических значений параметров внешней среды, выделяющих область, за пределами которой существование организма не возможно. Механизмы обратной связи приводят к таким реакциям организма, которые отдаляют организм от границ области гомеостатиза, либо способствуют перестройки организма, расширяющей эту область, либо воздействуют на внешнюю среду, изменяя ее в своих интересах.

Принцип гомеостаза может быть сформулирован и так: Положение организма относительно границы гомеостаза оказывает решающее влияние на состояние организма.

Живой организм всегда открытая система — ему свойственен метаболизм — обмен с внешней средой энергией и веществом. Одно из определяющих черт живого организма, выеденного эмпирически, — так направлять эволюционный процесс, чтобы максимально использовать результаты этого обмена. Это реализуется положительными обратными связями, которые вообще то противоречат принципу гомеостатиза. Необходим компромисс — разрешения противоречия между стремлением к стабильности — сохранению гомеостатиза и тенденцией поиска новых более рациональных способов освоения внешних энергии и вещества. Разрешение этого противоречия — важная особенность эволюционных процессов живой материи.

Описание обратных связей в живых организмах приводит к понятию функций поведения организма. Совместно с обратными связями функции поведения образуют замкнутую модель поведения биологических систем. Функции поведения, хотя и являются следствием условий гомеостаза, теоретически описываются сложно и изучаются в основном экспериментально. Чтобы организм определил свое положение относительно границ гомеостатиза и выработал определенное поведение нужна информация о близости организма к границам. Для этой цели организм должен обладать датчиками (рецепторами) информации и механизмами передачи и обработки информации. Переработать информацию может только живой организм или механизм, построенный человеком. Первоначально управляющие воздействия носили рефлексивный характер. По мере эволюции живых организмов связь между внешними воздействиями и решениями усложнялась и нервная система перестала быть системой рефлексного типа. Появляется способность прогноза, способность предугадывания. Нервная система стала важным элементом самоорганизации.

Когда появились смертные организмы — эукариты, возник генетический код как обеспечение индивидуальной жизни путем реализации принципа наследственности. Возникновение генетической памяти стимулировало эволюционный процесс. По-видимому здесь также имел место отбор — живые существа с другими средствами передачи наследственности не выжили.

Таким образом, информация в цепях обратных связей о положении организма относительно границ гомеостаза и о новых более рациональных путях освоения энергии и вещества после соответствующей обработки служит основанием для принятия решения.

Оценкой качества информации может быть только качество (эффективность) решений, принимаемых при использовании информации, насколько полученная информация способствует достижению организмом своей цели. Причем, одна и та же информация может иметь различную значимость для разных лиц и при решении различных задач. «Полезная» информация может оказаться помехой. Энтропийная мера количества информации, определенная в теории информации, также важна, но ее недостаточно для оценки информации с системных позиций.

Итак, задача биосистемы — целенаправленная эволюция с целью сохранения собственной стабильности, удаления от границ гомеостаза. В то же время совершенствование биосистемы заключается в расширении области гомеостаза и в улучшении качества информации о границах этой области. Биосистема воздействует на окружающую среду, изменяя ее в своих интересах.

В живой природе понятие «устойчивость» заменяется законом адаптации. Живые организмы адаптируются к условиям внешней среды и адаптируют внешнюю среду, обеспечивая гомеостаз биологических макросистем. Эволюция — это направленный процесс, один из результатов адаптации. Существуют различные точки зрения относительно направленности эволюции. Согласно Дарвину мелкие изменения признаков постепенно накапливаются при помощи естественного отбора, но сами по себе мутации (изменения) беспорядочны, случайны. Согласно другой точки зрения, изменения подчиняются определенным закономерностям. По-видимому, имеют место оба процесса, причем больше вероятность таких мутаций, которые требуют меньших энергозатрат.

Самостоятельная весьма важная линия эволюция живой природы, ее самоорганизации — способность к кооперации. Кооперативность совместно с внутривидовой борьбой (снова единство противоположностей) — это две стороны единого процесса самоорганизации.

Вначале кооперация — это объединение, чтобы совместно выжить. Далее возникли более сложные объединения организмов — своеобразный сложный организм. Появились биогеоценозы. Биогеоценоз — это такая самостоятельная экосистема, к которой внутренние связи значительно сильнее внешних. Для биогеоценоза характерна иерархия, на нижних уровнях которой располагаются элементарные биогеоценозы. Комбинация биогеоценозов — тоже биогеоценоз. Различные организмы и популяции, входящие в биогеоценоз, имеют свои цели, свои области гомеостаза, причем цели и функции систем более высокого уровня (например, популяций) не выводятся из целей отдельных организмов, а порой просто противоречат им. В моделях популяций следует учитывать верхнюю петлю обратной связи, отражающую коллективное поведение и определяющую реакцию популяции в целом на ее положение относительно границы гомеостаза. Верхняя петля обратной связи всего биогеоценоза, понять которую порой трудно. Биогеоценоз — это противоречивое единство различных организмов. Спектр противоречий весьма широк и во многом определяет механизмы отбора. Не исключено, что обеспечение гомеостатиза одних элементов биогеоценоза приводит к разрушению гомеостатиза других элементов.

Действительно, в динамике биологических макросистем основную нагрузку в перенос вещества и энергии несут трофические связи. В этих связях работает закон сохранения. В сложных биогеоценозах, построенных по иерархическому принципу, кроме трофических связей, имеют место более сложные процессы обмена веществом и энергией. На основании проведенных экспериментальных исследований получен интересный результат — стабилизация в экосистемах с иерархической организацией достигается за счет управляющих воздействий верхнего уровня, поэтому усложнение системы связей приводит к повышению степени устойчивости экосистем.