На основании представлений кибернетика Л.Заде о нечетких множествах (Заде, 1974) введем и определим некоторые исходные понятия. Будем называть систему имитационной, если в ней в соответствии с определенными целями формируются и принимаются решения на основании неполной или нечеткой информации о ситуации, в которой оказалась система. Информация о ситуации определяется знанием состояний множества элементов, обусловливающих эту ситуацию, и их связей. Информацию назовем неполной, если в ней полностью отсутствует знание о состоянии хотя бы одного элемента или связи, входящих в указанные выше множества. Информация будет нечеткой, если знание о состоянии всех элементов и их связей представлены в виде рядов распределений вероятностей состояний каждого элемента или связи. Разница между неполной и нечеткой информациями относительная и при некоторых условиях неполная информация может стать нечеткой и наоборот. Например, вероятность принятия решения в случае неполной информации находится в прямой зависимости от сравнительной частоты встречаемости отсутствующих признаков.

     Вся деятельность взрослой особи животных направлена практически на достижение двух основных целей, которые выражаются в виде двух основных инстинктов - самосохранения и сохранения вида. При этом первый из них проявляется в виде более частных рефлексов - самозащиты (самообороны) и пищевого, а второй - в виде полового рефлекса. Кроме того, инстинкт сохранения вида у ряда животных проявляется в виде рефлекса защиты потомства до периода его самостоятельного существования. Однако проявление указанных рефлексов обусловливается действием нервной системы (нервными клетками) и при нарушении деятельности последней рефлексы могут не "срабатывать". Практически удовлетворение потребностей, вызываемых данными рефлексами, происходит на фоне постоянного активного поиска (пищи, безопасного места, полового партнера) в условиях неполной и нечеткой информации об объекте поиска. Например, особи, составляющие популяцию, обычно располагаются по территории своего обитания беспорядочно (Дре, 1976), т.е.взрослая особь ведет себя как типичная имитационная система (в нашем определении этого понятия). Определенным дополнительным подтверждением этому является способность головного мозга имитировать (во сне и в состоянии бодрствования) огромное количество поведенческих ситуаций.

     Однако возникает вопрос: какими целями обусловлено поведение особи в условиях, когда ее нервная система еще не сформировалась в достаточной степени и, следовательно, нет субстата для формирования указанных рефлексов? Такая ситуация имеет место в период развития особи. Есть основания считать, что в этих условиях поведение особи направлено на выполнение неинстинктивных целей, заключающихся в достижении дефинитивного (конечного) уровня развития, согласно определенной программе. Следовательно, взрослая особь формирует свое поведение на основе инстинктивных целей (при этом программа их достижения в общем случае заранее не известна, т.е. в основе поведения лежит случайный поиск), а развивающаяся особь - на основании неинстинктивных целей (по заранее известной программе).

     Необходимо отметить, что, на наш взгляд, биологическая программа развития особи записана на определенном аналоге алгоритмического языка (при этом число версий этого языка практически равно числу особей, пользующихся этим языком). Более того, алгоритм развития является нечетким, размытым (Кауров, 1981а). Одним из наиболее убедительных аргументов в пользу этого является наблюдаемое различие (в ряде случаев существенное) в физическом и умственном развитии между идентичными в генетическом отношении монозиготными близнецами, воспитанными врозь (Канаев, 1968). Объяснить это можно тем, что в обмен веществ, определяющий в итоге все поведение особи, включены многие вещества (например, белки), каждое из которых может иметь одновременно несколько функциональных назначений. Среда может изменять соотношение в использовании этих веществ в определенном направлении, а также влиять на сам их синтез и распад. Все это обусловливает сдвиги в обмене веществ, приводящие в итоге к наблюдаемым различиям у монозиготкых близнецов в пределах нормы реакции их генотипов (возможного диапазона фенотипической изменчивости организма).

     На клеточном уровне также наблюдается неопределенность в поведении биосистем, например, при культивировании клеток эмбриональных зачатков (имагинальных дисков) плодовой мушки (дрозофилы). Показано, что эти клетки могут с определенной вероятностью менять свое исходное состояние детерминации (перспективного пути развития) на другое (переходить на другой путь развития), т.е. имеет место процесс трансдетерминации (Хадорн, 1970). При этом вероятностный процесс изменения детерминации при культивировании данных клеток имеет определенное направление и после конечного числа шагов трансдетерминации клетка переходит в дефинитивное состояние детерминации. Это состояние со временем не изменяется.

     Рассмотрим другой пример. При изучении развития глаза у крыс показано, что если исходный тип дифференциации клеток может в дальнейшем под действием специфических регуляторов (индукторов) преобразовываться в несколько альтернативных типов, то в отсутствие этих индукторов исходный тип самопроизвольно переходит в определенное состояние дифференциации (Строева, 1971). Специфические регуляторы также обусловливают переход клеток в устойчивое состояние, но другим путем. При этом появление данных регуляторов в должное время и в должном месте носит вероятностный характер. Об этом свидетельствует уже указанный выше факт возможного различия монозиготных близнецов. Следовательно, можно предположить, что в ходе развития происходит переход клеток в наиболее устойчивое (дефинитивное) состояние, которое является целью развития клеточных систем и определяет поведение последних. Наличие целенаправленности в ходе индивидуального развития признают и другие ученые (Светлов, 1972).

     Таким образом, поведение живых организмов подчиняется определенным целям, стремится к определенным состояниям. Но достижение этих целей происходит разными путями у развивающихся и взрослых особей. Ограниченность средств реагирования биосистемы на факторы воздействия, например, по типу стрессовой реакции (Селье, 1972), неограниченность числа этих факторов, а также неопределенность их появления во времени и пространстве с неизбежностью "заставляют" живой организм вести себя как имитационная система. Последняя постоянно моделирует свое поведение в интересах достижения целей, поставленных перед ней на данном этапе ее существования.

     Рассмотрим более подробно поведение конкретного организма, например, человека, как имитационной системы в ходе его индивидуального развития. При этом необходимо показать, что это поведение подчиняется принципу ситуационного самоуправления (Кауров, 1981b). Суть последнего заключается в том, что в результате поведения живого организма как имитационной системы он вынужден реагировать на отдельные множества разнообразных воздействий одинаковым образом. Человек является сложным объектом, системное изучение которого обычными методами наталкивается на ряд трудностей принципиального характера.

     В ходе развития человека из одной оплодотворенной яйцеклетки образуется система, состоящая при рождении из примерно 2x10¹² клеток и достигающая у взрослого мужчины 6х10¹³ клеток ("Человек. Медико- биологические данные", 1977). При этом в данной системе можно выделить около 240 типов клеток. В соответствии с международными классификациями для описания человека применяют около 6 тысяч анатомических и около 3 тысяч гистологических понятий ("Международная анатомическая номенклатура", 1980; "Международная гистологическая номенклатура", 1980). Кроме того, выделено около 2-х тысяч разных ферментов ("Номенклатура ферментов", 1979), что обусловливает наличие такого же количества химических субстратов. Из описания эмбриогенеза человека нами было выделено около 2,5 тысячи понятий. Если учесть еще термины, встречающиеся в физиологии, то можно предположить, что общее число основных понятий, описывающих морфологию, физиологию и биохимию человека в статике и динамике, достигает в настоящее время величины порядка 15-20 тысяч при числе отношений между ними около 200. Как известно, последнее число соответствует числу несводимых друг к другу отношений (между понятиями), существующих в естественных языках (Клыков, 1974).

     В организме человека можно выделить четыре уровня организации: молекулярный, клеточный, органный и организменный, каждый из которых подчиняется своим закономерностям функционирования. Однако элементарной единицей биосистемы, имеющей свою программу поведения, является клетка. Последняя в зависимости от ситуации может принимать одно или более из 11 основных решений: расти, делиться, агрегировать, мигрировать, погибнуть, перейти в состояние покоя, компетенции, детерминации, дифференциации, дедифференциации или остаться в прежнем состоянии. Исходя из ранее предложенной нами модели дифференциации клеток (Кауров, 1981c), мы выделили 19 параметров, которые определяют ситуацию в клетке и соответствующее ей решение. Данные параметры условно можно представить в виде специфических веществ (специальных белков, индукторов, кейлонов, гормонов) и воспринимающих их рецепторов клетки. Каждый параметр может принимать определенное значение из конечного их множества.

     Если предположить, что каждый из 19 параметров может принимать всего два значения, то общее число возможных ситуаций, возникающих в клетке, будет равно 2¹⁹, т.е. величине порядка половины миллиона. Однако общее число решений, как указывалось выше, равно 11, что позволяет полученное множество ситуаций разбить на 11 подмножеств, т.е. клетка при разных ситуациях может давать одинаковую реакцию. В действительности отдельные решения, в частности решение перейти в состояние компетенции или детерминации, имеют около 100 вариантов, а решение "перейти в состояние дифференциации" - около 240 вариантов. С учетом изложенного общее число частных решений, которые может потенциально принимать любая клетка в организме человека, равно примерно 450. Но и это число в рамках наших построений в 1200 раз меньше возможного числа ситуаций в клетке. Кроме того, необходимо учесть, что в ходе развития потенции клетки в отношении выбора направления развития уменьшаются, что обусловливает дополнительное ограничение числа возможных решений, принимаемых клеткой.

     Поведение клетки в организме есть составная часть более сложного процесса развития, каковым является морфогенез (формообразование). Частным случаем морфогенеза является органогенез (образование органов). Обычно каждый орган или его часть имеют свои зачатки, из которых они образуются в ходе развития особи. Из примерно 2,5 тысяч выделенных нами понятий, относящихся к эмбриогенезу человека, мы отобрали около 250 понятий, представляющих названия основных зачатков. Специфическое развитие этих зачатков и их взаимодействие обусловливают появление практически всех основных органов и структур, характерных для человека. Поведение зачатка как целого в зависимости от ситуации, складывающейся в нем, может выражаться в виде следующих "решений": быть нормальному развитию, аплазии, гипо-, гипер- и дисплазии, быть увеличению числа зачатков и гетеротопии зачатка.

     Эти "решения" ведут к тому, что дефинитивные органы, образующиеся из соответствующих зачатков, могут нормально развиваться, отсутствовать, быть гипо- или гипертрофичными, иметь извращенное строение, быть представленными в дополнительном числе или находиться в несвойственном им месте организма. Кроме того, возможно в разной степени персистирование (сохранение) эмбрионального состояния зачатка на разных стадиях его развития, вследствие чего могут возникнуть различного рода незаращения каналов, отверстий, полостей или, наоборот, их сращение, приводящее к уродствам.

     Выделение на данном (органном) уровне организации особи параметров, характеризующих ситуацию в зачатке, представляет определенные трудности. Это обусловлено сложным строением зачатков органов, состоящих из нескольких клеточных популяций разных типов, а также неклеточных структур. При этом в ряде случаев некоторые популяции клеток входят в состав зачатка не исходно, а в ходе развития и взаимодействия с другими популяциями. Например, зачаток глаза (глазной пузырь) исходно не содержит клеток для формирования хрусталика. Последний образуется позднее из прилегающих к глазному пузырю эктодермальных клеток в результате индукционного воздействия на них со стороны глазного пузыря (Дьюкар, 1978).

     Исходя из анализа литературы, нами было выделено около 50 реально существующих взаимодействий, благодаря которым происходит фенотипическая реализация потенций зачатков, т.е. превращение их в дефинитивные органы. При этом индуктор образуется на определенной стадии развития в клетках определенной популяции как результат специфического функционирования данных клеток. Наличие индуктора обусловливает при соответствующих условиях появление новых клеточных типов из реагирующих на него клеток. Для нормального взаимодействия индуктора и реагирующей на него однородной клеточной совокупности необходимо наличие индуктора и реагирующей ткани, минимального расстояния между ними (эффективного радиуса действия индуктора), минимального времени его действия, минимальной площади контакта, компетенции ткани к действию индуктора, дополнительного неизвестного фактора. Данные факторы могут представлять собой одну из групп параметров органного уровня развития и при соответствующих значениях этих параметров определять формирование зачатка и развитие из него дефинитивного органа.

     Так как генетический контроль этих параметров не является жестким, то это обусловливает одну из причин варьирования различных органов по величине, форме и положению, а также выраженный полиморфизм при множественных врожденных пороках развития ("Тератология человека", 1979; Яблоков, 1966). Необходимо отметить, что наличие детерминированного состояния клеток определяет их дальнейшее поведение, например интенсивное локальное размножение. Последнее в свою очередь может обусловливать различные морфогенетические перемещения клеточных комплексов, например, в виде впячиваний и выпячиваний, широко распространенных на ранних стадиях развития эмбриона. Обычно органы имеют сложное строение и образуются из нескольких зачатков. Например, глаз человека формируется из свыше 10 разных зачатков, образующихся в определенной последовательности в ходе развития (Станек, 1977).

     Так как время образования индуктора и время компетенции к нему соответствующей ткани ограничено, то отсюда видно особое значение для развития пространственного и временного совмещения индуктора и реагирующей ткани. Особую роль в этом совмещении играют упорядоченные перемещения клеток в виде впячиваний и выпячиваний, на которые указывалось выше.

     Наконец, на уровне целостного организма можно выделить всего два решения, которые вытекают из ситуаций, складывающихся на данном уровне, а именно: "жизнеспособен", "нежизнеспособен". При этом множество значений первого решения ("жизнеспособен") возможно представить в виде множества вероятностных оценок "р", где 0<"р"<1 (значение р=0 соответствует "нежизнеспособности" организма). Параметрами, определяющими ситуацию на данном уровне организации, могут быть состояния, обусловливающие самостоятельность дыхания, кровообращения, пищеварения, мочевыделения и кроветворения.

     На основании изложенного можно сделать следующее предположение. По мере повышения уровня организации особи уменьшается число параметров, характеризующих данный уровень, и число решений, принимаемых на этом уровне, при выбранных нами типах решений и параметров системы. Так, бесчисленное множество ситуаций на молекулярном уровне, обусловленное протеканием в клетке десятков тысяч разных биохимических реакций, на клеточном уровне в пределах наших построений свертывается до 11 типов решений при 19 параметрах, на органном уровне - до 7 типов решений при 7 параметрах и, наконец, на уровне целого организма - до 2 типов решений при 5 параметрах.

     Необходимо отметить, что и после рождения организм ребенка отвечает на внешние и внутренние воздействия в соответствии с принципом ситуационного самоуправления. В частности, ответные реакции организма на все бесчисленное множество разнообразных повреждающих факторов среды можно описать довольно ограниченным набором первичных реакций, а именно: воспалением, лихорадкой, опухолевым ростом, гиперемией, атрофией, некрозом, дистрофией, стрессовой реакцией и некоторыми другими.

     Значения указанных выше параметров обусловлены наследственной и ненаследственной компонентами. Наличие ненаследственной компоненты создает условия, при которых генотип организма в зависимости от среды обусловливает реализацию только одного какого-то фенотипа из их потенциального множества. Однако указать, какого именно, заранее невозможно. Наличие мутаций обычно уменьшает степень интегрированности процессов развития и увеличивает роль среды в определении величины параметров развития. Это создает дополнительную неопределенность в реализации конкретного фенотипа. В этих условиях организм ведет себя как типичная имитационная система, вынужденная реализовать конкретную ситуацию, сложившуюся в нем, на которую у него нет однозначного "запрограммированного решения".

     Изменение значений указанных параметров на всех рассмотренных уровнях организации особи за пределами нормы может вызвать образование большого числа разнообразных множественных аномалий развития, частично перекрывающихся по своим фенотипическим проявлениям. Существенная часть этих аномалий имеет наследственную природу. Уже сейчас их выделено несколько сот типов и с каждым годом это число постоянно увеличивается. Если учесть, что сейчас выделено около 2 тысяч ферментов, что существует хотя бы 6 типов регуляторных генов для каждого фермента (Paigen, Swank, Shiro, Ganschow, 1975) и что при морфологическом описании эмбриогенеза человека можно выделить около 15 тысяч предполагаемых геноконтролируемых событий (Кауров, 1981b), то общее число уникальных генов у человека может составить величину порядка 30 тысяч.

     Динамическая комбинаторика определенных активных генов (в том числе мутантных) из этого числа обусловливает строение и поведение особи в соответствующие моменты времени в норме и патологии. При этом число возможных состояний особи может достигать астрономических величин. В этих условиях приобретает особую роль системное изучение человека на всех уровнях его организации в соответствии с принципом ситуационного самоуправления. Целью этого изучения является выяснение причинно-следственной взаимосвязи между генотипом и фенотипом. Одним из важных моментов в этом изучении является представление жизнедеятельности организма в виде семантических сетей, т.е. связанной системы понятий и отношений между ними. Подобное направление в технике известно как логико-лингвистическое моделирование (Поспелов, 1981). Есть попытка такого рода и применительно к описанию эмбриогенеза человека (Кауров, 1981b).

     Другим важным моментом в системном изучении человека является создание специального проблемно-ориентированного языка для формализованного описания и моделирования поведения человека. Некоторые подходы к созданию такого языка уже имеются. На наш взгляд, в основе такого языка должны лежать следующие базовые категории: 1) понятие; 2) имя; 3) предикаты (обобщенные отношения и свойства); 4) решение; 5) оценка; 6) состояние (ситуация); 7) цель; 8) поведение (реакция); 9) способ; 10) вещество; 11) устройство; 12) знак (символ); 13) синтаксис знака; 14) семантика знака; 15) прагматика знака; 16) объект; 17) грамматика (правила преобразования объекта); 18) сообщение (информация). Необходимо отметить, что для системного описания и изучения других объектов, например, экологических сообществ (биогеоценозов) уже созданы специализированные языки ДИНАМО (Pugh, 1970) и МЕНДОЛ (Crosby, 1973).

     Создание формализованного языка описания человека способствовало бы не только лучшему пониманию его поведения, но и служило бы одной из форм объективного представления знаний о нем. Это особенно актуально в связи с накопленным в настоящее время огромным объемом данных по биологии развития, с одной стороны, и успешными попытками автоматизированной обработки текстовой информации на ЭВМ с целью получения дедуктивных умозаключений (Попов, 1982; Поспелов, 1981), с другой стороны.

     В заключение хочется подчеркнуть, что представление особи в виде имитационной системы позволяет значительно лучше понять поведение живого организма и построить более адекватные модели его функционирования в зависимости от стадии развития и условий среды. В частности, на наш взгляд, представляет большой интерес построение модели особи и изучение ее поведения на основе размытого алгоритма, применяя разные принципы его построения, а также разные решения по встречающимся в ходе развития ситуациям и разные оценки этих решений.

ЛИТЕРАТУРА

Дрё Ф., "Экология", М.,"Атомиздат", 1976.
Дьюкар Э., "Клеточные взаимодействия в развитии животных", М.,"Мир", 1978.
Заде Л., "Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятия решения", М., "Знание", 1974.
Канаев И.А., "Близнецы и генетика", Л., "Наука", 1968.
Кауров Б.А., "Математическое моделирование индивидуального развития животных. Сообщение II. О принципах построения моделей развития живых организмов", М., 1981а. Деп. в ВИНИТИ, №1336-82.
Кауров Б.А., "Индивидуальное развитие человека с точки зрения ситуационного управления", М., 1981b, Деп. в ВИНИТИ, №1337-82.
Кауров Б.А., "Модель генетической регуляции дифференциации клеток у животных", Тез. докл. IY съезда Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И.Вавилова, Кишинев, Штиинца, 1981c, ч.1, с. 114-115.
Клыков Ю.И. "Семиотические основы ситуационного управления", М., МИФИ, 1974.
"Международная анатомическая номенклатура", М., "Медицина", 1980.
"Международная гистологическая номенклатура", Киев, "Вища школа", 1980.
"Номенклатура ферментов", М., 1979.
Попов Э.В. "Общение с ЭВМ на естественном языке", М., "Наука", 1982.
Поспелов Д.А. "Логико-лингвистические модели в системах управления", М., "Энергия", 1981.
Светлов П.Г. "Онтогенез как целенаправленный (телеономический) процесс", "Арх. анатомии, гистологии, эмбриологии", 1972, т. 63, вып. 8, c. 17-28.
Селье Г., "На уровне целого организма", М., "Наука", 1972.
Станек И., "Эмбриология человека", Братислава, 1977.
Строева О.Г. "Морфогенез и врожденные аномалии глаза млекопитающих", М., "Наука", 1971.
"Тератология человека", М., "Медицина", 1979.
Хадорн Э., "Трансдетерминация клеток", "Молекулы и клетки", М., "Мир", 1970, вып. 5, с. 54-61.
"Человек. Медико-биологические данные", М., "Медицина", 1977.
Яблоков А.В., "Изменчивость млекопитающих", М., "Наука", 1966.
Crosby J., "Computer simulation in genetics", L., 1973.
Paigen K., Swank R., Shiro T., Ganschow R., "The molecular genetics of mammaliam glucoronidase", "J. Cell. Physiol.", 1975, v. 85, p. 132-146
Pugh A., "DYNAMO II User's Manual", "M.I.T. Press", Cambidge, 1970.

Опубликовано: http://patho-not.narod.ru/page4_2.html
Источник: "Биометрические аспекты изучения целостного организма", МГУ, 1987, c. 82-91.

---

Основная страница.