Сделать доклад на указанную тему

Проблема сложности и уникальности биологических систем
Сегодня казалось бы, объем биологических и медицинских знаний
невероятен; геном человека расшифрован; методы генетических
манипуляций достигли невероятной изощренности; мировые расходы на
биомедицинские исследования и разработки превышают все то, что ученые
прошлых веков могли видеть в своих мечтах... а полная победа над
болезнями пока кажется еще очень и очень далекой. Я бы сформулировал
ключевое препятствие так: мы сейчас очень много знаем, и даже довольно
много умеем, но очень мало понимаем. Устройство даже одной-единственной
живой клетки оказалось несравненно сложнее, чем казалось прежде, и
классические методы исследований обнаружили свое бессилие. Только в
самые последние годы XX века непреложность данного факта была
окончательно осознана, и в течение последних десяти лет мы наблюдаем
появление новой науки, системной биологии, которая направлена на решение
самой глобальной современной проблемы наук о жизни — проблемы
понимания биологической сложности.
Что такое биологическая сложность? если бы мы умели делать
носители информации на уровне одиночных атомов, и если бы мы захотели с
их помощью записать все возможные варианты конформаций, которые
может принимать одна-единственная молекула типичного белка, то всех
атомов во Вселенной для этого не было бы достаточно. Но проблемы
начинаются и куда раньше, при рассмотрении относительно простых
ситуаций. Превращение одного вещества в другое под действием единичного
фермента нередко можно описать довольно простой формулой с хорошей
точностью, хотя и тут полно исключений. Два самых простых фермента,
воздействуя друг на друга, уже образуют систему с нетривиальным
поведением: в ней могут наблюдаться стабилизация, наличие порогов и
переключений, автоволны. Без детального математического анализа тяжело
сказать, как она себя будет вести. В системе же из трех ферментов мы уже
получаем полный «букет» динамических режимов, включая хаос и странные
аттракторы. Это всего три фермента, а ведь простейшая из реальных
биологических систем клетки представляет собой сеть из сотен разных
ферментов, кофакторов, метаболитов, которые тысячами способов влияют
друг на друга.
Роли биохимических реакций не постоянны, а непрерывно меняются в
зависимости от времени и места. При этом мы никогда не уверены до конца,
что знаем всех участников и все взаимодействия в этой системе.
Количественные параметры процессов (скорости, концентрации) в лучшем
случае измерены с точностью до разов, а чаще до порядков. На это
накладывается проблема «комбинаторной сложности»: многие ферменты за
счет разных модификаций способны переключать свою активность, и если у
одного фермента есть десять таких способов, то полное число его возможных
состояний составляет 2 10 , т.е. 1024... В итоге «невооруженный ум»
оказывается бессильным перед самой простой задачкой из области

метаболизма или внутриклеточной сигнализации. Так возникает проблема
биологической сложности. Мы можем знать почти все компоненты системы,
мы можем знать с какими-то погрешностями параметры всех реакций, но при
этом мы все равно не можем немедленно сказать, как эта система работает.
На практике это означает, что мы не знаем, какой элемент системы мы
должны заблокировать с помощью нашего лекарства, или на какой параметр
системы нужно смотреть, чтобы вовремя диагностировать, что она работает
неправильно.
Биотехнолог может ввести или изъять из генома бактерии любой ген,
но он бессилен до тех пор, пока не знает, какая комбинация генов сделает из
бактерии, скажем, эффективного производителя лекарства или биотоплива,
или утилизатора отходов. А перебирать все варианты невозможно из-за той
же комбинаторной сложности — на это может не хватить времени
существования планеты. Теоретик в биологии всегда исходит из того, что его
модель неправильна: в одних случаях он это просто имеет в виду, в других —
использует специальные приемы, в которых неопределенность введена в
явном виде. С другой стороны, он находится в более выгодном положении по
сравнению с теоретиком-климатологом, так как он может оперировать
понятием «биологического смысла»: он может ожидать, что моделируемая
им система будет работать устойчиво и стабильно даже при ошибках в
модели (так как биологические системы нашего организма на протяжении
миллионов лет эволюции отбирались именно по этому признаку). Во многих
случаях он может использовать биологическое знание для того, чтобы понять
устройство системы. При тщательном рассмотрении сложность
биологических систем оказывается иллюзорной. Подобно искусственно
созданным механизмам, биологические объекты сложны из-за того, что они
должны одновременно решать многочисленные задачи. И как только мы
глубоко проникаем в задачу, то биология сразу становится очень простой.
Проблема структурно-функционального соответствия
По современным представлениям соотношение структуры и функции
описывается отображением "много-в-один". Закономерно возникает
следующая формулировка проблемы структурно-функционального
соответствия: есть ли что-то общее в структурах, выполняющих одну и ту же
функцию, отличающее их от структур, реализующих другую функцию? 
Проблема эквифинальности эволюции:
1. Одна из граней проблемы развития - проблема эволюции. Закономерности
эволюционного процесса тесно связаны со свойствами структурно-
функциональных отношений.
2. Общее направление эволюционных изменений задается давлением отбора,
а скорость в среднем связана с интенсивностью мутагенеза. Но фенотип
является отображением генотипа, и это отображение осуществляется через
структуру макромолекул. Непосредственное создание структуры под
требуемый фенотип невозможно. Именно свойства структуры накладывают

ограничения на фенотипические проявления и определяют допустимые
траектории эволюционного процесса, формируя ландшафт функции
приспособленности, обобщенно характеризующей селективные
преимущества вида. 
3. Недетерминированность эволюционного процесса делает прогноз
конкретного исхода эволюции практически невозможным. По мнению
Эйгена, «…оптимизирующий процесс эволюции в принципе неизбежен, хотя
выбор конкретного пути не детерминирован». Недетерминированность
эволюции связана, по-видимому, с тем, что одна и та же функция может
реализовываться разными эволюционно возникшими структурами. 
4. В то же время известен определенный параллелизм в эволюции различных
видов и родов, нашедший свое выражение в законе гомологических рядов в
наследственной изменчивости Н.И. Вавилова. Возникает вопрос о
существовании некоторой структурной общности у систем, выполняющих
одну и ту же функцию, но сформированных на разных эволюционных
траекториях. Если эта общность существует, то можно говорить об
эквифинальности эволюции в каком-то определенном смысле. 
Свойства сложности эволюционирующих систем:
1. Рассмотрение функции и структуры как целого позволяет устранить ряд
противоречий и парадоксов, возникающих при исключительно структурном
рассмотрении сложности. Это относится к оценкам по числу элементов и/или
связей, алгоритмической сложности, энтропийным оценкам сложности.
2. Однако рассмотрение сложности структур, обладающих функцией,
приводит к принципиальному вопросу: «Одинакова ли сложность структур,
выполняющих одну и ту же функцию?» 
3. Остается открытым вопрос о связи функциональной сложности со
сложностью описания системы в целом, выраженной, например, через число
элементов или связей. Назовем эту сложность потенциальной, она
аналогична, по Эйгену, информационной емкости класса.
4. В случае сложной системы «лишние» элементы структуры используются
для реализации других функций. Кроме того, эволюционирующие системы
должны для обеспечения эволюционного процесса иметь не занятые в
функционировании элементы структуры. Именно эта избыточность
обеспечивает потенциал эволюционных изменений. Можно написать
гипотетическое соотношение:
Избыточность = Потенциальная сложность – Сумма всех функциональных
сложностей
Здесь возникает принципиальный вопрос об аддитивности функциональной
сложности, который еще не разрешен. 
Гипотезы о свойствах эволюционирующих систем:
1. Для эволюционирующей системы оценка сложности по числу
взаимосвязей между элементами (потенциальная сложность) всегда больше
функциональной сложности системы..
2. Способность биологических систем к эволюционным изменениям
неразрывно связана с неоднозначностью структурно- функциональных

отношений, избыточностью сложности структуры над сложностью функции
и как следствие с принципиальной множественностью эволюционных
исходов. Существует минимальный уровень избыточности, при котором
эволюционные изменения невозможны.
3. Эволюционный процесс при изменении сложности потока регулярных
событий может происходить при неизменной потенциальной сложности, за
счет изменения структурной избыточности биологической системы. 
4. В эволюции отбираются те биосистемы, структура которых обеспечивает
функцию (поведение), описываемое моделью конечного автомата или
эквивалентной ей. Это задает формальный уровень сложности описания
таких систем языками 3-го типа по Хомскому.
5. Высокая воспроизводимость параметров внутренних состояний системы,
соответствие их числа абстрактной сложности входов является признаком
выхода системы на пределы приспособляемости и эволюции. Изменение
внешних условий для такой системы грозит ее разрушением. 
Проблема прогноза динамики и эволюции биологических систем

Возможен ли прогноз биологической эволюции?

Мнения «против»

Возможность эволюционных предсказаний была бы очень
привлекательна в силу большой актуальности не только современных или
вероятных в недалеком будущем эволюционных ситуаций, но и
значительного интереса к проблемам прошлой эволюции: возможны ли
другие развязки эволюционных коллизий, какие были альтернативы и как их
знание помогает понять современные проблемы? Существование
диаметрально противоположных мнений, нередко высказываемых без
должной доказательной основы, вполне обычно и в обсуждаемой проблеме.
Уверенность в полной невозможности или ничтожно малой эффективности
прогноза в области биологической эволюции высказана в научной
литературе многократно.
Как правило, именно недооценка направленности эволюции, лишает
эволюционистов стимула для развития теоретических основ эволюционного
прогноза и понимается как одно из наиболее слабых звеньев в дарвиновских
концепциях. Характеризуя в виду мировой эволюционный процесс, Н.Н.
Моисеев и И.Г. Поспелов (1990) пишут, что он имеет «непредсказуемый
творческий характер». В.И. Корогодин (1991), обращаясь к теме эволюции
живых систем, непредвидимость их будущего склонен возвести в особый
принцип. Согласно взглядам С.В. Мейена (1990), причиной ничтожной
прогностической способности современной эволюционной теории является
её слабое развитие. С этим мнением я вполне согласен.

Мнения «за»

Простейший и легко проверяемый пример прогнозирования реакции
живой системы любого уровня называет Э.С. Бауэр: если биосистему

вывести из состояния устойчивого термодинамического неравновесия, в ней
очень быстро начнёт работать механизм противоположной направленности.
Представители «недарвиновских» эволюционных концепций,
развивающих идеи направленности и закономерного характера
эволюционного процесса, нередко оценивают принципиальную возможность
эволюционного прогноза положительно. Закон гомологических рядов
изменчивости Н.И. Вавилова понимается как пример реальных
прогностических возможностей теории изменчивости. Вообще,
принципиальная возможность прогнозирования эволюционных ситуаций
признается в научной литературе нередко, хотя не всегда для этого
представляются убедительные обоснования. Мнение о больших трудностях
на пути к осуществлению эволюционного прогноза нет оснований
оспаривать. С процитированным выше мнением Н.Н. Моисеева и И.Г.
Поспелова (1990) я сопоставлю идею о том, что для прогрессивных живых
систем характерно развитие способности предвидения, формирования
модели, опережающей события. Биологическое прогнозирование, основанное
на избыточности, названо как фундаментальное свойство живых систем.
Этот аспект проблемы нуждается в развитии и обсуждении, однако уже
сказанного очевидно для вывода: обозначились разные мнения.
Из обзора литературы следует, что теоретические основы
прогнозирования природных процессов заложены и развиваются более
заметно в динамической экологии, демографии, климатологии, некоторых
разделах географии, природопользования и в смежных разделах науки.
Идеи прогнозирования биологической эволюции находятся в
зачаточном состоянии, а имеющееся теоретическое построение не имеет
должной опоры в эволюционных концепциях. В то же время мнений авторов,
не претендующих на эволюционный прогноз и тем более на развитие теории
прогноза, однако по сути своей представляющих примеры более или менее
обоснованных предсказаний, в научной литературе можно обнаружить очень
много. Так, Л.А. Стрелков (1991), обсуждая эволюционные судьбы
организмов в связи с изменчивостью ДНК, предрекает гибель огромного
большинства из существующих в настоящее время организмов в случае
изменения условий. Вероятно, условия среды обитания изменяются и будут
изменяться впредь, а все существующие виды когда-нибудь, действительно,
перестанут существовать.
Мнение о принципиальной возможности и необходимости
формирования прогностической теории эволюции, в частности, ожидаемых
последствий от действия на популяции катастрофических и
некатастрофических факторов, я вполне поддерживаю, так же как и
высказывание А.А. Любищева (1965) о надобности в «воображаемой
биологии». Воображаемая биология в виде созидания имитационных
моделей виртуального мира и его столь же виртуальной эволюции уже
реализована в нескольких вариантах (Эвери, 2006) и, надо полагать,
количество таких моделей будет расти. Однако имеющееся на сегодня

состояние развития эволюционной теории пока не может явиться
достаточной основой для формирования теории эволюционного прогноза.