О структурных уровнях живого вещества в биосфере
Прежде всего следует сказать о возможных причинах образования структурных уровней в живой природе. После того как концепция структурных уровней была сформулирована в работах Г. Брауна в 1917 г.
и Р. Селларса в 1933 г., она прочно вошла в биологию и в настоящее время является одним из фундаментальных и неотъемлемых кирпичей биологической теории. Концепция эта разрабатывается как философами, исследующими понятие структурных уровней в качестве одного из основных в общей теории систем, так и биологами, стремящимися конкретно выявить, инвентаризировать и исследовать структурные уровни живой природы. Дискуссия вокруг проблемы структурных уровней пока не утихает и среди философов, и среди биологов, что объясняется ее сложностью и самой непосредственной связью с кардинальными вопросами теории биологии. Хотя в теории систем не без успеха используется формализованный количественный подход и символический язык, то есть математика в разнообразных ее формах, о чем упоминалось в предыдущем разделе, сама теория имеет сейчас еще не законченный вид, многие контуры важных проблем едва намечены, а большое число эмпирических наблюдений не обобщено [15][16]. Поэтому качественная разработка теории не только не снятаформализованным подходом, но и справедливо является пока, по мнению А. А. Малиновского, основной и наиболее перспективной.
В биологии существует несколько подходов к выделению структурных уровней организации живого вещества биосферы. В советской специальной литературе распространена схема Н. В. Тимофеева-Ресовского, согласно которой существуют четыре уровня: молекулярный, онтогенетический, популяционный и биогеоценоти- ческий. Любая подобная схема является выражением несомненного и легко наблюдаемого факта структурной дифференциации живой природы. Но попытки выбрать одну из них упираются в отсутствие четко сформулированных теоретических представлений об иерархии структурных уровней, их взаимной значимости в дифференциации живой природы, критериях их выделения.
Отсюда не- прекращающиеся споры об их количестве, выделении тех или иных уровней в качестве главных и т. д.Однако, прежде чем рассматривать вопрос о числе структурных уровней и критериях их выделения, а также о критериях выделения главных и второстепенных уровней, правомерно спросить: какова причина возникновения в природе структурных уровней? Ответ на такой вопрос пока может быть только гипотетическим.
Представим себе всю видимую Вселенную структурно неорганизованной. Это означает, что она заполнена (выражение это, конечно, метафорично, но в целях упрощения модели оно пригодно) аморфной материей. В этой аморфной материи выделяются отдельные очаги структурной организованности, но они не отделены резко от окружающей их неорганизованной среды. Любой физический закон осуществляет свое действие не мгновенно, а со скоростью, обусловленной фундаментальными физическими постоянными, в частности скоростью света. В бесструктурной Вселенной действие любого закона распространяется на всю Вселенную без ограничений. Но тогда при громадных размерах Вселенной действие любого закона на расстоянии будет запаздывать, и Вселенная, следовательно, придет в неустойчивое состояние. Таким образом, в общей форме можно сделать вывод о том, что возникновение структуры, организованности — одновременно шаг к стабилизации, к стационарному состоянию.
Приведенное рассуждение легко конкретизировать с помощью принципа обратной связи, оказавшегося столь плодотворным и в теории, и в технических приложениях. Там, где происходит перераспределение информации, принцип обратной связи оказывается одним из самых действенных. Но действие этого принципа также не мгновенно, так как в природе вообще нет мгновенного взаимодействия. Скорость действия обратной связи ограничена конкрет
ными параметрами системы, в границах которой обратная связь осуществляется. Чем больше система, тем больше времени нужно, чтобы проявился эффект обратной связи. При бесконечно большой системе обратная связь запаздывает, и ее эффект вообще не проявляется.
Весьма вероятно, что именно в ограничении пути действия обратной связи кроется основная причина возникновения структурных уровней, то есть дифференциации планетного живого вещества на дискретные структурные множества, или структуры, актуального состояния ее в виде иерархии структурных целых. Структурный уровень, отражающий новое состояние материи, возникает тогда, когда в силу увеличения структурного целого, разрастания системы обратная связь перестает действовать в пределах этой системы как эффективный механизм саморегуляции системы. Можно надеяться, что определение скорости действия обратных связей в разных системах позволит получить количественные характеристики, при которых в силу запаздывания обратной связи неизбежен переход к новому состоянию материи и, следовательно, к возникновению нового структурного уровня. С этой точки зрения все многообразие природы и ее дифференциация на относительно независимые системы имеют\ своей причиной конечную скорость действия обратной связи.
Исключительное значение принципа обратной связи в структурной дифференциации и образовании структурных уровней хорошо иллюстрируется и рассмотрением структурных уровней организации живого вещества. На молекулярном уровне и при всех клеточных процессах регуляция осуществляется с помощью системы обратных связей, управляющих биологическими процессами. Это многочисленные системы генов-модификаторов, включающих пусковые механизмы и катализаторы тех или иных биохимических реакций, и генов-супрессоров, наоборот подавляющих эти реакции. На онтогенетическим уровне, или уровне целого организма, биохимические процессы отступают на задний план, но зато выдвигаются интегративные механизмы, обеспечивающие целостность организма. В процессе роста — это эмбриональные и ростовые регуляции, в процессе жизнедеятельности и старения — обменные регуляции. Огромную роль играет во всех этих процессах нервная система, плодотворность приложения принципа обратной связи к работе которой общеизвестна.
Отбор выступает в роли формообразующего фактора уже на уровне индивидуума, отсеивая неприспособленные или малоприспособленные формы в процессе внутривидового соревнования.
Однако особенно велики результаты его действия на популяционном уровне. Система обратных связей, работающая в процессе отбора, глубоко проанализирована И. И. Шмальгаузеном. Что касается биогеоценотического уровня, то законы, управляющие жизнью на этом уровне, пока еще не поняты до конца. Колоссальное значение имеет геохимическая энергия процессов круговорота и миграции химических элементов, о которой говорилось выше. Однако не только энергетический баланс является решающим во взаимном приспособлении разных видов друг к другу и к среде жизни в сообществах растений и животных. По-видимому, на этом уровне продолжают действовать какие-то сложные формы отбора. Об обратной связи в процессе отбора уже говорилось, роль многочисленных обратных связей в процессах круговорота и миграции атомов химических элементов показана многими геохимическими исследованиями [17].
Итак, в результате всего изложенного мы приходим к выводу, что конечная скорость действия обратной связи является основным фактором в ограничении систем и возникновении структурных уровней. Запаздывание обратных связей делает систему неустойчивой и таким образом создает необходимость перехода к новому структурному состоянию материи, при котором начинает действовать иная система обратных связей.
Переходим теперь к чрезвычайно важному вопросу о многомерности пространства структурных уровней. Многомерное пространство, давно исследуемое в математике, стало мощным инструментом анализа во многих науках. Понятие многомерного пространства применимо везде, где речь идет о нелинейной связи, о сложных взаимоотношениях объектов, иерархически организованных не по одному, а по многим своим отличительным признакам. Полагаю, что понятие это применимо и к рассмотрению структурных уровней.
Представим себе, что любые структурные уровни всегда соподчинены друг другу, что они образуют сложную, но симметричную и плоскую пирамиду соподчинения, что за каждым структурным уровнем следует очередной уровень более высокого ранга.
Это означало бы, что мироздание организовано линейно, что структурное усложнение в нем при движении от простых форм материи к более сложным проявляется лишь в одном каком-нибудь фундаментальном признаке, что мир при пространственной и временной бесконечности легко исчерпывается в качественном отношении. Между тем даже физическое пространство мироздания трехмерно, а с учетом координаты времени и четырехмерно, что вносит значительное усложнение в плоскую схему линейно организованной природы. На самом же деле ее дифференциация происходит не только в физическом континууме пространства — времени. Поэто- му-то применение концепции многомерного пространства и оказалось столь плодотворным в разных науках.Итак, теоретически правомерно предполагать, что пространство структурных уровней многомерно. Это означает, что перед нами
Профильные прорисовки человеческих лиц. Палеолитическая стоянка Ля Марш (Франция).
не плоская, а объемная пирамида, что природа дифференцируется не по одному фундаментальному свойству, а по великому их множеству, что она неисчерпаема не только в силу своей безграничности в пространстве и времени, но и в своих свойствах. Переходя к геометрическим образам, можно сказать, что обратная связь в каждом отдельном случае имеет свой вектор, и векторы эти расположены в разных плоскостях под углом друг к другу. Это и обеспечивает многомерность пространства структурных уровней, в котором каждый структурный уровень также обладает вектором, несводимым к векторам других структурных уровней, отличным от них.
Можно было бы подумать, что многомерность структурных уровней возникает автоматически за счет трехмерности физического пространства, что пространство структурных уровней, таким образом, также трехмерно. Однако структурные уровни возникают не только вследствие дифференциации природы в пространстве. Существует бесчисленное множество живых и мертвых объектов, они все обладают практически бесконечным набором свойств, дифференциация по которым приводит к возникновению структурных уровней.
Правда, не все эти свойства фундаментальны, но и не все структурные уровни фундаментальны. Мы ищем и выделяем крупные структурные уровни, свидетельства резких разрывов постепенности в строении материи, но есть и уровни гораздо более мелкие по своему значению. Любая специализированная группа клеток внутри какого-нибудь органа образует определенный структурный уровень, но по своему жизненному значению он располагается ниже, чем структурный уровень органа или целого организма, В силу неисчерпаемости свойств материи пространствоструктурных уровней, следовательно, не трехмерно, а бесконечномерно.
Бесконечномерность пространства структурных уровней по- новому ставит проблему их соподчинения. Структурные уровни на разных плоскостях внутри этого бесконечномерного пространства несоотносимы один с другим, о реальном соподчинении можно говорить только в случае однородности выделяемых структурными уровнями систем или структур. Между тем до настоящего времени структурные уровни выделяются интуитивно, исходя, так сказать, из здравого смысла. Никто еще не пытался произвести общую инвентаризацию структурных уровней: это задача огромной сложности, а мы находимся в начале исследования. Но многочисленные попытки выделения структурных уровней в частных областях свидетельствуют достаточно ясно о таком интуитивном подходе к выделению структурных уровней и несопоставимости критериев, положенных в основу их выделения, а следовательно, и несопоставимости самих уровней.
Все сказанное в общих теоретических формулировках можно проиллюстрировать на примере изучения структурных уровней в биологии, где представление о различных рядах структурных уровней только начинает пробивать себе дорогу. Возьмем для на-