CC BY
92
УДК 575.2.224
В.И. Крюков, доктор биологических наук ФГОУ ВПО Орёл ГАУ
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
В ГЕНЕТИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ
Рассмотрено применение теории управления в системе генетического мониторинга антропогенного загрязнения окружающей среды.
Ключевые слова: генетический мониторинг, теория
управления.
Общие принципы и механизмы целесообразного саморегулирования в живых организмах и биологических сообществах, существующих в условиях изменяющейся окружающей среды, являются предметом исследования биологической кибернетики. В отличие от классических биоло ических методов исследования, в биоло ической кибернетике живые ор анизмы и биоло ические сообщества рассматриваются с позиций общей теории систем. Основное внимание в этих исследованиях уделяется изучению процессов управления и передачи информации в биосистемах. Большое значение при этом имеют математический анализ эмпирически установленных закономерностей и моделирование исследуемых процессов.
Рациональное природопользование возможно лишь при оптимальном управлении
производственными и природными процессами. Законы управления являются предметом
исследования кибернетики - науки о способах восприятия, передачи, хранения, переработки и использования информации в целях оптимизации процессов и систем автоматическо о управления. Кибернетика изучает процессы управления с информационной стороны, независимо от структурных или энер етических характеристик реальных систем. В настоящее время принято различать три раздела кибернетики: 1) теоретическую кибернетику, которая изучает проблемы, связанные с общим математическим описанием процессов
управления; 2) техническую кибернетику,
разрабатывающую технические вопросы создания информационных систем; 3) прикладную
кибернетику, к которой относятся вопросы приложения кибернетических концепций к различным областям человеческой деятельности в том числе - к биоло ии и медицине. Одним из разделов прикладной кибернетики является
биологическая кибернетика. Изучаемые ею проблемы можно разделить на три руппы: 1) проблемы
строения биоло ических систем; 2) проблемы
функционирования и саморе улирования биосистем;
3) проблемы экспертизы и про ноза состояния биоло ических систем.
Анализ биосистем как объектов управления требует определения основных понятий теории управления. Ключевым в теории управления является понятие системы. Системой принято называть относительно обособленную и упорядоченную совокупность элементов, обладающих особой связанностью, целенаправленно взаимодействующих 46
Application of the management theory in system of genetic monitoring of anthropogenic environmental contamination is considered.
Key words: genetic monitoring, management theory.
и способных реализовывать определённые функции. Каждая система может быть рассмотрена как
подсистема, входящая в более крупную систему.
Любая система обладает определёнными
свойствами. Основными из них являются
целостность, связанность, сложность,
организованность. Проявление системой качественно новых свойств, которыми не обладают составляющие её элементы, называется эмерджентностью системы. Элементы, образующие систему, могут быть естественными (возникающими без участия человека) и искусственными.
По характеру взаимодействия со средой разделяют открытые и замкнутые системы. В открытой системе происходит непрерывный обмен с внешней средой энергией, веществом и информацией. Биологические системы нужно рассматривать как о раниченно открытые. Выходы и входы биоло ических систем контролируются самой системой в зависимости от её состояния.
По характеру причинной обусловленности событий в процессе взаимодействия элементов системы разделяют на детерминированные и вероятностные. Биосистемы являются
вероятностными. Поведение вероятностных систем стро о не определено. Поэтому точно предсказать е о невозможно. Вместе с тем, при мно ократном проведении экспериментов можно определить вероятность перехода системы в определённое состояние и с соответствующей степенью точности е о предсказать.
В кибернетике системы разделяют на простые, сложные и очень сложные. Очень сложными принято называть такие системы, сущность взаимосвязей в которых не вполне понятна. Исчерпывающее описание структуры и поведения таких систем на данном этапе развития науки не представляется возможным. Большинство биосистем должно быть отнесено к очень сложным системам.
Сложные системы характеризуются определённой иерархией структуры. Любой элемент системы может быть рассмотрен как подсистема вышестояще о уровня. В то же время элементы данно о уровня можно рассматривать как систему, содержащую подсистемы нижне о уровня. Уровни иерархии в системе мо ут различаться по любым исследуемым признакам: по уровню организации, по временным интервалам, пространственному распределению. Переход из одно о состояния системы в дру ое может осуществляться м новенными скачками (в статических системах). В дру их системах
(динамических) такой переход осуществляется в течение некоторо о промежутка времени. Установленные закономерные изменения биосистем могут быть выражены в математической форме.
Биосфера рассматривается биоло ическими науками как саморе улируемая система, в которой живое вещество с высокой точностью обеспечивает узкие физические и химические условия свое о существования. Поэтому центральным звеном экологических исследований являются биологические системы разного уровня организации [1]. Целенаправленный процесс перевода сложной динамической системы из одно о состояния в дру ое путём воздействия на её переменные называется управлением. Управление в целом является процессом приёма, накопления, преобразования и передачи информации. Использование информации в целях управления биоло ическими системами включает задачи её восприятия, переработки и количественной оценки. Совокупность объекта управления (управляемой системы) и управляющей системы представляют собой систему управления.
Основные положения теории передачи информации сформулированы американским учёным К. Шеноном. Структура обобщённой системы передачи информации состоит из следующих 5 частей (рис. 1).
1) Источник информации, в котором избирается одно или несколько возможных сообщений, подлежащих передаче. С точки зрения биологической кибернетики, источником сообщения может быть любой биоло ический объект.
2) Передатчик, который определенным образом перерабатывает информационное сообщение и выдаёт си нал, который может быть передан по каналу связи. Носителем информации может быть свет, звук, символ, магнитная лента и т.п. Однако законы передачи, приёма и переработки информации едины для всех видов кибернетических систем. Вопросы передачи биоло ической информации по каналам связи очень важны в биоло ической телеметрии, при автоматической обработке данных, при решении проблем биоло ическо о управления.
3) Канал связи - это среда, в которой осуществляется передача информации от передатчика к приёмнику. Вместе с каналом связи изображён источник помех, так как в процессе передачи информации возможны искажения сигнала.
4) Приемник преобразовывает принятый си нал и восстанавливает по нему первоначальные сообщения.
5) Получатель информации - лицо или устройство, для которого предназначено сообщение.
Рисунок 1 - Обобщённая структура передачи информации
Фундаментальным принципом, лежащим в основе всех биокибернетических систем, является принцип обратной связи. Существование обратной связи означает обратный поток информации в системе управления. Иначе обратную связь можно определить как информационное воздействие выхода системы на её вход. Обратная связь может осуществляться либо непосредственно между входом и выходом, либо через опосредующие элементы системы. При этом управляющий элемент получает информацию о состоянии управляемо о элемента и может корректировать процесс управления с целью изменения состояния управляемого элемента (рис. 2).
' Орган управления
Орган
управления
__________ Измерительное __________
устройство
Рисунок 2 - Блок схемы управления с обратной связью (б) и без неё (а)
Таким образом, любая система управления характеризуется:
1) прямой связью между управляющей и управляемой частями системы, по которым поступают си налы управления;
2) обратной связью, между управляемой и управляющей частями;
3) переработкой информации о текущем состоянии управляемой системы, идущей по каналам обратной связи, в команды управления.
Обратная связь может быть положительной и отрицательной. В случае отрицательной обратной связи выдаются команды на устранение рассо ласований действий системы с заданной ей про раммой. При положительной обратной связи рассо ласование не устраняется, а усиливается.
Желаемое изменение состояния системы дости ается посредством определённых на неё воздействий (си налов управления). Последние содержат информацию о требуемых значениях управляющих воздействий. Управляющее
воздействие на систему оказывается с помощью управляющей величины, т.е. все о то о, что вызывает в системе изменения, соответствующие цели управления. Управляемой величиной называют такую величину, для поддержания которой на заданном
Устройство
управления
Объект
управления
Устройство
управления
Объект
управления
уровне или для изменения которой во времени по определённому закону действует система управления. Например, такими управляемыми величинами мо ут быть исследуемые частоты енетических нарушений, происходящих у растений и животных под влиянием мута енных факторов среды. Неуправляемыми величинами являются такие, использование которых не может быть осуществлено управляющей системой (субъектом управления). В эколо ических
исследованиях к неуправляемым величинам мо ут быть отнесены климатические условия.
Спонтанно синтезируемые в окружающей среде из антропо енных поллютантов вещества, и синер идные проявления их взаимодействия с дру ими факторами, также являются неуправляемыми системами, случайными воздействиями окружающей среды.
Необходимость управления обусловливается возмущающими воздействиями, которые выводят управляемую систему из заданно о состояния. Возмущающими воздействиями по отношению к управляемым биосистемам являются колебания материальных и энер етических потоков, а также экономических, ор анизационных факторов, происходящих под влиянием внутренних и внешних причин. В экологическом мониторинге биосферы основным возмущающим воздействием является уровень техно енно о за рязнения биосистем.
Совокупность правил, по которым информация о состояниях управляемой системы, внешней среды и про раммы управления преобразовывается для получения информации об управляющих воздействиях, называется ал оритмом управления. По определённым ал оритмам осуществляется процесс управления в живых ор анизмах. Поиск и познание этих ал оритмов и является целью биоло ических наук.
Биоло ическая кибернетика имеет дело с системами очень большой сложности. Такие системы не могут быть описаны детально. Распространенным методическим подходом биоло ов при изучении биоло ических систем является исследование структуры и функций отдельных их элементов (например, енетических) и, затем, описание по этим элементам работы всей сложной системы. В кибернетике такой метод называется микроподходом и состоит в изучении ал оритмов функционирования отдельных элементов. Это - так называемые микроал оритмы. Общий ал оритм
функционирования сложной системы нельзя представлять как простую сумму микроал оритмов. Поэтому в кибернетике используют макроподход, который получил название метода "чёрного ящика".
Метод "чёрного ящика" заключается в том, чтобы, не вникая в структуру системы и устройство её элементов, сделать заключение о принципах её работы, наблюдая только входы и выходы информации. Для того чтобы сделать вывод о внутреннем устройстве " чёрно о ящика" необходимо располагать определённой информацией. Чем больше разнообразных воздействий приходится на вход "чёрно о ящика", тем больше информации мы
получаем о состоянии выходов, тем с меньшей точностью мы можем представить себе структуру " чёрно о ящика". Для то о чтобы установить взаимосвязь входных воздействий с состояниями выходов, необходимо сделать столько анализов, сколько потребуется для то о, чтобы разнообразие их исходов было минимальным. Именно поэтому биомониторин экосистем может служить основанием для прогнозов лишь в том случае, когда он проводится систематически и осуществляется в связи с еохимическим и еофизическим мониторин ами.
Взаимодействие высших и низших уровней сложной биоло ической системы основано на обмене информацией по принципу обратных связей, обладающих определёнными ре улирующими поро ами. Для низших уровней биосистем в некоторых раницах характерны черты автономности. Пока информация, поступающая на этот уровень, не выходит за известные поро и толерантности, система использует имеющиеся у неё ал оритмы и вырабатывает соответствующие целесообразные реакции. При этом на высший уровень не посылается никаких сообщений.
Самоуправление, саморе уляция и самоконтроль характеризуют работу каждо о из уровней
биосистемы в отсутствие непредвиденных ситуаций. Саморе улирование - фундаментальное свойство любо о биообъекта от клетки до биосферы. Адаптация - это один из вариантов
саморегулирования биосистем. При изучении механизмов адаптации к различным, в том числе -антропо енным, факторам среды возникла острейшая необходимость междисциплинарно о взаимодействия биохимии, енетики, и эколо ии. Одним из результатов тако о междисциплинарно о
взаимодействия стало формирование молодой
научной дисциплины - эколо ической енетики.
Биоло ическая система образована, в основном, элементами биоло ической природы. Однако в биоло ические системы высших порядков возможно включение биокосных, технических и даже социально-экономических элементов [4]. Основные особенности биообъектов как систем автоматическо о ре улирования заключаются в следующем.
Любая биосистема может быть представлена в виде некоторой структурной схемы, включающей объект управления, управляющую часть и обратные связи (рис. 3). Однако исследуемые человеком
биоло ические системы все да мо ут быть рассмотрены как подсистемы более сложной системы. В этом случае взаимосвязь этих двух уровней может быть представлена упрощённой моделью двухкомпонентной биологической системы (рис. 4). Один из элементов этой системы находится в состоянии подчинения у дру о о. В качестве это о элемента мо ут быть приняты субклеточные структуры, клетка, ор ан, физиоло ическая система, целый ор анизм, популяция, экосистема. Элемент низше о уровня обладает свойствами саморе уляции, самоконтроля и самоуправления. Эти свойства составляют основу любой живой системы. Для реализации этих свойств рассматриваемый элемент
живой системы должен обладать необходимым аппаратом: устройствами восприятия и переработки информации, устройством управления,
формирующим соответствующие команды, и эффекторными звеньями, реализующими их. Рассматриваемый элемент должен воспринимать информацию о внутренней и о внешней среде, так же как е о реакции должны быть направлены не только внутрь, но и во внешний мир. Второй компонент системы, являющийся высшим по отношению к первому, имеет с ним прямую и обратную связь. Канал обратной связи служит целям контроля. При нормальной работе системы по каналу контроля информация не поступает (т.е. она равна нулю). В противном случае высшие уровни страдали бы от перегрузки информацией. Только если низший элемент системы не справляется с потоком информации или не может выделить полезную информацию из шума, элементы высше о уровня вмешиваются в работу низшего. Должны существовать определённые динамически
ре улируемые поро и, которые определяют интенсивность потока информации по каналу обратной связи.
Магнитный усилитель |-»>|Электродвигатель |—|—►
Логическое вычислительное устройство
Структура ДНК
Хромосома
Система репарации
ДНК, ген
Признак
ены-регуляторы
Рисунок 3 - Структурная аналогия технических и биологических систем
Рисунок 4 - Модель двухкомпонентной биоло ической системы
В биологии термин «экосистема» общепризнан и означает информационно саморазвивающуюся, термодинамически открытую совокупность биотических компонентов и абиотических источников вещества и энер ии, единство и функциональная связь
которых в пределах определённо о участка биосферы, времени и пространства обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энер ии и информации над внешним обменом и на основе это о - неопределённо дол ую саморе уляцию и развитие цело о под управляющим воздействием биотических и био енных составляющих [13].
Разработка теории управления экосистемами на популяционном уровне требует изучения енетических механизмов адаптации популяций к действию антропогенных факторов. Изучая последствия за рязнения окружающей среды, мы рассматриваем экосистему как "чёрный ящик". На входе этого "чёрного ящика" множество потоков информации, часть которой приводит к снижению адаптивных свойств ор анизмов, составляющих популяции данной экосистемы - свое о рода малых "чёрных ящиков". Для системно о анализа влияния техно енных за рязнений на биоту следует вычленить несколько таких малых " чёрных ящиков" (популяций индикаторных видов) и отдельные потоки информации, образуемые на их выходах (например, частоты енетических нарушений).
Основным средством исследования систем управления и связи является математика. Кибернетический подход в биоло ии включает в себя три этапа: 1) выяснение анало ий между
инженерными понятиями; создание принципиальных схем процессов управления в живом организме; качественное описание этих схем в терминах кибернетики; 2) использование математического
аппарата кибернетики для количественно о описания отдельных управляющих систем, количественная оценка реакций ор анизма; 3) синтез математических описаний отдельных управляющих систем и количественная оценка реакций ор анизма. В настоящее время биоло ическая кибернетика занимается в основном проблемами, возникающими при реализации перво о и второ о этапов.
Природная среда или условия эксперимента оказывают воздействие на биосистему через её элементы, которые называются входами системы, а факторы внешней среды, осуществляющие эти воздействия, называются входными величинами. Глубина исследования биосистемы зависит от степени детализации переменных на входе и выходе. Эту степень детализации импульсов и реакций называют разрешающим уровнем исследования системы. Минимальным является тот уровень разрешения, ко да исследователь различает лишь один вход и один выход, хотя предпола ается, что в данной системе имеют место и дру ие разнообразные импульсы и реакции. Система в свою очередь оказывает влияние на среду через определённые элементы, образующие выход системы. Воздействие системы на окружающую среду характеризуется значениями её выходных величин. Совокупность входных и выходных величин и их динамика определяют поведение системы.
Для природы живой ор анизм является " чёрным ящиком". Путём мно очисленных испытаний
многообразие его реакций в результате эволюции было ограничено до пределов, необходимых для выживания. Изучая биологические объекты в лаборатории, мы моделируем воздействия природы и стремимся уменьшить разнообразие выходов изучаемой системы. Для этого мы, ограничив свои интересы определённым кру ом вопросов, «разбиваем» большой "чёрный ящик" на множество малых "чёрных ящиков" и стараемся познать их содержание. Кибернетический подход к изучению сложных систем на основе макроподхода вносит новые принципы в исследовательскую работу и в практику управляемых воздействий. Можно указать на следующие 4 задачи, решаемые в процессе изучения "чёрного ящика" [11]: 1) определение
входов и выходов системы ( омоморфный подход) (задаю воздействия - анализирую результат); 2) выявление потоков информации (последовательные испытания с целью о раничения разнообразия ответов системы); 3) раскрытие кода информации
(установление необходимых дихотомических
выборов, правил, по которым состояния входов изменяют выходы); 4) построение модели,
омоморфной исследуемому «чёрному ящику »
(установление ал оритма).
В теории управления различают процессы управления простые и сложные. Простым процессом управления называется процесс, который
осуществляется в условиях контроля системы по одному какому-либо фактору, сложным - процесс, который осуществляется в условиях контролирования нескольких показателей. Исследование биосистем целесообразно начинать, моделируя простые
процессы управления и, установив основные закономерности управляемо о процесса, переходить к моделированию сложных процессов управления.
При изменении внешних условий (например, химическо о состава среды) происходят изменения стационарных концентраций компонентов биосистемы. Это означает перекодировку информации, получаемой из внешней среды, в новый набор стационарных концентраций. Наличие клеточных мембран оказывает значительное влияние на стационарные концентрации. Проницаемость клеточных мембран резко изменяется под действием физических факторов и благодаря этому они могут становиться более проницаемыми для химических веществ [10]. Это, в свою очередь, будет отражаться на выходных величинах исследуемых биосистем. Появление на входе системы любо о ново о, неизвестно о ранее си нала значительно увеличивает энтропию сообщения, что равносильно резкому увеличению объема информации, передаваемой по каналу связи. Это влечёт за собой необходимость расширения пропускной способности канала, что, в свою очередь, снижает помехоустойчивость системы. Появление шума - это одна из причин вмешательства высших уровней системы в работу низших. Взаимные помехи элементов живой системы в условиях нормальной жизнедеятельности минимальны. Шум создается в основном за счёт деятельности соседних элементов системы, поскольку каждый из них,
обладая собственными ал оритмами, стремиться выполнить свою задачу , независимо от работы дру их элементов. Это создаёт взаимные помехи, которые, однако, бла одаря корреляции, установленной вмешательством высших уровней (ре уляция) или установившейся в процессе ор анизации системы (эволюция), находятся ниже некоторо о поро а.
Для исследования биоло ической ре уляции, по анало ии с техническими системами, может быть использован метод внесения определённых
возмущений. Наблюдая при этом процесс ре улирования, можно сделать выводы о качестве и возможностях это о ре улирования. Перед внесением возмущений необходимо узнать нормальные параметры основных систем живо о ор анизма в виде количественно выраженных математических закономерностей, характеризующих нормальные стационарные и переходные процессы. Проявление нарушений в биосистеме характеризуется иными стационарными и переходными режимами и,
следовательно, иными моделями. Хроническое воздействие на биосистемы возмущающих факторов приводит к ор анизации в процессе приспособления
новых взаимоотношений между биосистемами,
обеспечивающих новый и достаточно устойчивый уровень функционирования. Модель тако о уровня должна иметь математическое выражение стационарно о процесса. В случае острых
воздействий средовых факторов процесс
реа ирования биосистемы должен характеризоваться моделями, имеющими вид переходных процессов. Таким образом, знание моделей различных
стационарных и переходных режимов биосистем позволило бы осуществить быструю и точную
экспертную оценку её состояния.
Математические зависимости между отдельными параметрами биосистем называют переходными функциями. Сравнение технических и биологических систем привело к развитию новых методов анализа переходных характеристик в биоло ии. Все изменения состояния биосистем мо ут классифицироваться как компенсаторные изменения или изменения, связанные с расстройством ре уляции, обусловленные повреждающим воздействием. Гибкость биологических систем и их высокая надёжность, даже в случае повреждающих воздействий, мо ут обеспечить нужный уровень ре улирования за счёт дублирующих контуров управления или путём включения новых систем управления (формирования новых про рамм).
Построение математической модели исследуемых биоло ических процессов включает несколько этапов [7]: 1) изучение биологического процесса по
литературным данным и в непосредственных экспериментах; 2) постановку задачи (описание её содержания) и выяснение возможностей её формализованно о представления; 3) анализ
количественных зависимостей между параметрами задачи; 4) определение целей, о раничений,
критериев; 5) построение операторной модели,
проработка вопросов функционирования системы, оформление блок-схем; 6) построение
математической модели, символическое и численное представление связей, получение, обработка и установление достоверности необходимой информации, ал оритмов исследования модели; 7) проверку адекватности модели, статистическая проверка функционирования объекта и модели, и, при необходимости, доведение её до нужного подобия; 8) решение задачи по созданной математической модели на ЭВМ и анализ результатов решения; 9) упрощение модели до достаточной степени подобия; 10) решение задачи на ЭВМ по скорректированной модели, анализ возможных (допустимых) вариантов развития системы и принятие наиболее целесообразно о решения по избранному направлению развития исследуемо о процесса.
Нормы допустимо о поступления вредных веществ в среду обитания человека разрабатывают токсиколо и и и иенисты. Ими же контролируется выполнение установленных норм. Охрана всех других компонентов биосферы фактически становится преро ативой эколо ов. Им предстоит определить пределы возможно о поступления ксенобиотиков в природную среду, не нарушающего
функционирование биосистем на любом из уровней ор анизации живо о - от молекулярно о до био еоценотическо о. Однако нормативы предельно допустимых экологических нагрузок остаются слабо разработанными, и это препятствует эффективной работе по предотвращению эколо ических нарушений в процессе ведения эколо ическо о мониторин а. В связи с этим одной из актуальных задач эколо ов и токсиколо ов является разработка основ эколо ическо о нормирования токсичных,
мутагенных и канцерогенных веществ.
Система природоохранных мероприятий с позиций системно о анализа включает, как минимум, три подсистемы: 1) охрану природы в узком смысле, т.е. охрану генофондов и биоразнообразия растений и животных, а также - природных экосистем; 2) охрану окружающей человека природной среды, обусловливающей нормальное здоровье общества; 3) рациональное использование природных ресурсов, обеспечивающее омеостаз экосистем и бла оприятное развитие экономики. С позиций биоло ической кибернетики здоровье общества рассматривается как состояние определённо о процесса, к управлению которым может быть применён системный анализ проблемной среды и обратных связей в контуре управления этим процессом. Проблемная среда является обобщающим понятием, включающим и социально-экономические условия существования населения, и состояние окружающей среды.
Антропогенное загрязнение природной среды изменяет систему факторов, влияющих на состояние популяции. Изменение факторов окружающей среды (входных величин системы) вызывает изменение выходных величин (например, частот енетических и морфоло ических нарушений). Однако в популяциях человека изменение выходных величин не все да проявляется сразу. Эта задержка может быть обусловлена факторами социальной защиты. У
животных из природных популяций подобная защита отсутствует, поэтому появление у них нарушений (выходных величин анализируемой системы) будет происходить с меньшей задержкой и, следовательно, даёт возможность раньше начинать проведение природоохранных и здравоохранительных мероприятий. С дру ой стороны, именно отсутствие социальных защитных механизмов от химическо о за рязнения в природе делает охрану енофондов и биоло ическо о разнообразия растений и животных наиболее сложной с точки зрения разработки эффективных механизмов управления этими процессами. Поэтому разработка механизмов управления этой подсистемой в природоохранных мероприятиях требует особо о внимания. Создание практической системы енетическо о контроля состояния природной среды даст дополнительную информацию, которая может служить основанием для совершенствования системы управления здоровьем общества.
Рисунок 5 - Циркуляция информации в системе «экосистема - эксперт-биоло »
Про ноз отдалённых последствий и планирование природоохранных мероприятий возможны на основании экспертных оценок специалистов. Экспертная оценка эколо ическо о состояния
окружающей среды - это типичный кибернетический процесс, связанный со сбором, передачей, хранением и переработкой информации [2, 3, 7, 11].
Кибернетическая система «экосистема - эксперт-биоло » значительно сложнее, чем может показаться с перво о вз ляда, т.к. включает в себя и мно очисленные средства сбора информации и цепи обратных связей (ор анизационных мер,
направленных на оптимизацию экосистемы). Такая система в общем виде состоит из следующих частей (рис. 5): 1) источник информации и объект
воздействий (экосистема); 2) средства сбора
информации; 3) эксперт, осуществляющий
переработку информации в формулировку рекомендаций по оптимизации экосистемы; 4) каналы и средства передачи информации в исполнительные административные структуры; 5) исполнительные административные структуры, осуществляющие
рекомендации, направленные на оптимизацию экосистемы; 6) средства для осуществления
оптимизации экосистемы. От источника информации (экосистемы) эксперт получает о ромное количество разнообразных си налов, которые содержат информацию о состоянии экосистемы. Не вся информация, поступающая от экосистемы, может представлять одинаковый интерес для эксперта. Процесс экспертизы возможен только при наличии определённого объёма информации. Если объём информации, поступающий от экосистемы, меньше определённо о уровня, то экспертиза не может быть проведена. Вместе с тем, справедливо мнение [1], что учесть все характеристики экосистемы принципиально невозможно, и некоторые из параметров, неучтенных при создании модели или формулировании заключения, мо ут оказаться существенными в изменяющейся среде. Поэтому важной теоретической и практической задачей теории управления биосистемами является разработка научных подходов, учитывающих эту объективно существующую неопределённость.
Получатель информации (эксперт) осуществляет переработку информации в экспертное заключение. Законы, по которым осуществляется заключение, имеют всеобщий характер и являются предметом исследования специальных дисциплин. В настоящее время интенсивно развивается направление «машинной диагностики и экспертизы». Создание компьютерных экспертных систем в эколо ии остро стоит в последние оды потому, что количество информации, которое необходимо перерабатывать экспертам при формулировании экспертных заключений и планов практических мероприятий по оптимизации нарушенной среды постоянно увеличивается. После составления экспертно о
заключения разрабатываются рекомендации по оптимизации состояния экосистемы, которые направляются в соответствующие административные ор аны для принятия соответствующих мер, направленных на оптимизацию окружающей среды в экосистеме. В процессе осуществления практических мер, направленных на улучшение эколо ической обстановки в экосистеме, экспертом-биоло ом проводятся дополнительные контрольные измерения информационных характеристик экосистемы, по которым он контролирует эффективность осуществляемых практических мер. Блок-схема циркуляции информации в системе «экосистема -эксперт - биоло » содержит два контура (см. рис. 5). Первый контур: «экосистема - эксперт - экспертное заключение». Сбор информации в этом информационном контуре осуществляется в соответствии с разработанным планом биомониторин а. Второй контур: «экосистема -
эксперт - рекомендации по оптимизации -административные ор анизационные меры по оптимизации среды». В этом контуре циркулирует информация, обеспечивающая процесс оптимизации среды. План мероприятий по оптимизации среды устанавливается в соответствии с экспертным заключением о состоянии среды и является
информацией, ре улирующей деятельность административных ор анов. Эта информация используется как для коррекции первоначально о экспертно о заключения о состоянии среды, так и для внесения поправок в план продолжающихся мероприятий по оптимизации среды. Составление экспертно о заключения связано с выполнением ряда стро о последовательных ло ических операций. Условно можно выделить три основных этапа экспертизы: 1) сбор информации о состоянии среды (данные еофизическо о, еохимическо о и
биотическо о мониторин а, экспертные оценки дру их специалистов) и хранение информации; 2) анализ собранной информации и отбор наиболее существенных данных, указывающих на возможные эколо ические нарушения в экосистеме или отдельных её компонентах; 3) оценка этих данных путём сопоставления с известными признаками анало ичных нарушений.
В соответствии с этими тремя этапами, построение информационных и экспертных систем енетическо о мониторин а заключается в следующем.
1. Сбор и хранение информации. Средства сбора
информации - это неотъемлемая часть любой экспертной информационной системы. В канале связи «экосистема (популяция) - эксперт» можно выделить 5 основных элементов: а) источник информации (экосистема, популяция); б) устройства сбора информации (датчики, счётные устройства); в) устройства для преобразования информации (приборы); ) системы представления данных
(ре истрирующие устройства и средства хранения информации); д) получатель информации (эксперт).
2. Анализ информации. Условно можно выделить три стадии анализа эколо ической информации: а) дешифровка или преобразование данных в цифровую форму, б) статистическая и математическая обработка данных, в) сравнительный анализ данных (сопоставление полученных данных с определёнными константами).
3. Оценка данных. Третий этап экспертизы состоит в сравнении полученных статистических, математических и иных показателей с известными показателями-константами. Эксперт в процессе анализа экосистемы (популяции) сравнивает каждый из полученных показателей с данными, которые, по е о мнению, соответствуют норме. Конечный этап экспертизы состоит в оценке собранных и проанализированных данных. Результатом такой оценки является экспертное заключение.
Существенная роль в формулировании экспертно о заключения может принадлежать данным эколо ическо о мониторин а и е о частных форм, например, мониторин а енетическо о. Структура енетическо о мониторин а отражает сложную иерархию биоло ических систем по уровню эволюционной ор анизации и пространственному распределению. Упрощённый ал оритм потоков информации в комплексном ре иональном енетическом мониторин е антропо енно о за рязнения окружающей среды представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 - Упрощённый алгоритм комплексного регионального генетического мониторинга антропогенного загрязнения окружающей среды
Целью генетического мониторинга является получение и систематизация информации о загрязнении окружающей среды мутагенами и динамике генетического груза в популяциях, а также прогнозирование негативных генетических последствий для своевременной разработки практических мер, направленных на сохранение генофондов. Для эффективного ведения
генетического мониторинга необходима информация о качественном составе и объёме выбросов (стоков, отходов) и ео рафическом положении источников техно енно о за рязнения среды в контролируемом регионе. От их интенсивности и расположения зависит принятие решения о масштабе генетического контроля и картировании необходимых мест отбора проб.
Г енетический мониторинг является сложной системой получения и переработки информации. В нём могут быть выделены несколько разделов: а) мониторин компонентов среды (воздуха, воды, почвы), б) мониторин за рязняющих факторов и их источников, в) мониторин объектов воздействия (популяций растений, животных, человека).
Генетический анализ компонентов среды проводят с использованием системы тестов (тест Эймса, анализ доминантных леталей на дрозофиле, цито енетический анализ и анализ доминантных леталей на млекопитающих и цито енетический анализ лимфоцитов в культуре клеток человека).
Интенсивность мутационного процесса в природных популяциях растений и животных осуществляют, исследуя ор анизмы модельных видов.
Полная программа генетического мониторинга предпола ает анализ воздействий средовых
за рязнений на енофонды ор анизмов различно о уровня ор анизации (бактерий, растений, животных), различных систематических рупп (рыб, амфибий, рептилий, птиц, млекопитающих). При этом учитывают частоты точковых мутаций, частоты аберраций хромосом, структурных аномалий
сперматозоидов (САС), доминантных летальных
мутаций (ДЛМ) и, при возможности, частоты врождённых аномалий. На основании полученных результатов эксперт делает заключение о степени мута енно о за рязнения объектов среды и состоянии биоты. При необходимости он разрабатывает практические рекомендации для осуществления природоохранных мер.
Заключение. Перед началом XXI столетия
человечество вступило в совершенно новый этап
своего развития. С ушедшим веком закончился период, ко да оно развивалось по своим внутренним, социальным законам. На новом этапе человечество будет вынуждено следовать законам развития более общей системы, частью которой оно является, -биосферы. Именно этими законами будет определяться и о раничиваться развитие цивилизации. Человечеству будет необходимо подчиняться этим законам и обусловленными ими о раничениям, или же оно будет обречено на вымирание [9].
Россия в настоящее время переживает демографическую катастрофу. Уже правомерна постановка проблемы жизнеспособности россиян на популяционном уровне. В настоящее время в стране не менее 10% детей рождаются с разного рода генетическими отклонениями [5]. Одной из причин этой катастрофы является за рязнение окружающей среды в результате нерациональной хозяйственной деятельности. Попытки ограничений производства путём контроля е о химических параметров малоэффективны. Совершенно очевидно, что как бы ни была совершенна инструментальная база токсикологов, они никогда не смогут контролировать все химические вещества, выбрасываемые в окружающую среду в процессе промышленно о производства, и, тем более, вещества, образующиеся в экосистемах из техногенных смесей. Единственно возможным методом контролирования биологических эффектов это о массированно о за рязнения среды может быть только биоло ическая и, в том числе генетическая индикация состояния биоты.
На охрану природной среды нужны средства. Относительная их величина сильно колеблется в зависимости от страте ии, направления и этапа развития национальной экономики. В развитых странах оптимальным для стабилизации и улучшения эколо ической обстановки является объём затрат, равный примерно 3-4% валового национального продукта. Россия по этому показателю отстаёт от развитых стран примерно в 6 раз [14]. В ряде стран с развитой экономикой существуют специальные структуры, которые на различных административных уровнях обеспечивают енетический контроль
технологий, производств и природной среды регионов. В Российской Федерации такие структуры: практически отсутствуют. В существующих комитетах, в функции которых входит контроль состояния среды и здоровья населения, генетикам отводится только консультативная роль. При этом ни одно из существующих отдельно подразделений не в состоянии обеспечить оценку генетической опасности за рязнения среды на уровне, соответствующем международным требованиям. В связи с этим давно стоит острая необходимость создания Федерально о межведомственно о центра по оценке енетической опасности состояния среды и здоровья населения [6]. В настоящее время енетический мониторин в России возможен лишь на базе ВУЗов биологического профиля в форме научно-исследовательской деятельности, совмещённой с образовательным процессом [8]. В связи с этим целесообразно создание лаборатории экологической генетики (генетического мониторинга) на базе одного из орловских ВУЗов. Лаборатория может иметь статус межведомственного образования и работать по про раммам областных природоохранных ор анизаций.
Литература
1. Большаков, В.Н. Перспективные направления развития экологических исследований в России [Текст] / В.Н.Большаков, Ф.В.Кряжимский, Д.С.Павлов //Экология. - 1993. - № 3. - С. 3-16.
2. Быковский, М.Л. Кибернетические системы в
медицине [Текст] / М. Л.Быковский,
A.А.Вишневский. - М.: Наука, 1971. - 407 с.
3. Воробьёв, С.И. Медицинская кибернетика [Текст] / С.И.Воробьёв, А.И.Китов. - М.: Радио. - 1983. - 249с.
4. Гомеостаз на различных уровнях организации биосистем [Текст] / В.П.Нефедов, А.А. Ясайтис,
B.Н.Новосельцев и др. - Новосибирск: Наука, 1991. -232 с.
5. Голубев, Б. Безопасность страны зависит от наличия ресурсов и здоровья населения [Текст] /Б.Голубев //Евразия. Экологический мониторинг. -1996. - № 4 (35). - С. 12-18.
6. Калинина, Л.М. Итоги Международного
симпозиума «Мутагены1 и канцерогены окружающей среды и наследственность человека» [Текст] /
Л.М. Калинина //Генетика. - 1995. - Т. 31, №3. - С. 427-428.
7. Кравченко, Р.Г. Основы кибернетики [Текст]/ Р.Г .Кравченко, А.Г.Скрипка. - М.: Экономика, 1974. -279 с.
8. Крюков, В.И. Генетический мониторинг техногенного загрязнения среды и перспективы его использования в экологическом образовании студентов [Текст] / В.И. Крюков //Наука и экол. образование. 1-я Междунар. конф. по проблемам экологии и безопасн. жизнедеят. - Тула, 1997. - С. 37-43.
9. Лосев, К. Теория биотической регуляции среды как научная основа Декларации Земли [Текст] / К.Лосев //Зеленый мир. - 1998. - № 12 (276). - С. 21.
10. Милютин, А.А. Влияние инкорпорированного цезия-137 на структурное состояние мембран эритроцитов [Текст] / А.А.Милютин, Т.М.Кирпичева, Л.М.Лобанок //Радиобиология. - 1993. - Т. 33. - С. 302305.
11. Парин, В.В. Введение в медицинскую кибернетику [Текст]/ В.В.Парин, Р.М.Баевский. - М.: Медицина, 1966. - 298 с.
12. Преображенский, В.С. Основные модели и
понятия экологии человека [Текст]
/В.С.Преображенский, Е.Л. Райх //Экология человека. Основные проблемы. - М.: Наука, 1988. - С. 32-44.
13. Реймерс, Н.Ф. Природопользование [Текст]/ Н.Ф.Реймерс. - М.: Мысль, 1990. - 639 с.
14. Розенберг, Г.С. Экологическая экономика и экономическая эколо ия: состояние и перспективы [Текст] / Г.С. Розенберг //Экология. - 1994. - № 5. - С. 3-13.
УДК 631.811.98:632.952:633.1
Ю.В. Козлов, соискатель Н.Е. Самсонова, доктор сельскохозяйственных наук ФГОУ ВПО «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия» Н.Е. Новикова, доктор сельскохозяйственных наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МИВАЛА-АГРО, БРАССИНОСТЕРОИДНЫХ ПРЕПАРАТОВ И
протравителя семян при выращивании яровых зерновых
НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ
Установлена высокая эффективность Мивала-Агро, превосходящая действие Эпина-Экстра, Гомобрассинолида на продуктивность ячменя и яровой пшеницыг. Показано, что использование Мивала-Агро с половинной нормой расхода протравителя обеспечивает эффективную борьбу с инфекционным потенциалом семенного материала, получение выгсокого урожая и снижение пестицидной нагрузки на агроценоз.
Ключевые слова: Мивал-Агро, брассиностероидыг, яровыге зерновыге, эффективность.
В повышении урожайности зерновых культур важное место принадлежит защите их от болезней,
The article features high efficiency of Mival-Agro, exceeding that of Epin-Extra and Homobrassinolide with respect to productivity of barley and spring wheat. It shows that application of Mival-Agro in combination with a disinfectant at half its consumption rate provides efficient anti-infection protection of seed grains, as well as higher yields and lower pesticide load on agrocenosis.
Key words: Mival-Agro, brassinosteroids, spring grains, efficiency.
которые нередко приводят к значительному снижению сбора зерна и ухудшению его качества, а
Вестник Орел Г Ay
апрель
№2(23)
2010
Теоретический и научно-практический журнал. Основан в 2005 году
Учредитель и издатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный Университет»_____________________________________________
Редакционный совет: Парахин Н.В. (председатель) Амелин А.В. (зам. председателя) Астахов С.М.
Белкин Б.Л.
Блажнов А.А.
Брыкля О.А.
Буяров В.С.
Гуляева Т.И.
Гурин А.Г.
Гущина Т.В.
Дегтярев М.Г.
Зотиков В.И.
Иващук О.А.
Козлов А.С.
Кузнецов Ю.А.
Лобков В.Т.
Лысенко Н.Н.
Ляшук Р.Н.
Мамаев А.В.
Масалов В.Н.
Новикова Н.Е.
Павловская Н.Е.
Попова О.В.
Прока Н.И.
Савкин В.И.
Степанова Л.П.
Хромов В.Н.
Шендаков А.И. (ответств. секретарь) Ермакова Н.Л. (редактор)
Адрес редакции: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69. Телефон: (4862)454037 Факс:(4862)454064 E-mail: nichоgau@yandex.ru E-mail: nich4@orelsau.ru
Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77-21514 от 11.07. 2005 г.
Технический редактор Мосина А.И. Сдано в набор 02.04.2010 Подписано в печать 23.04.2010 Формат 60x84/8. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Объём 12,5 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19. Лицензия ЛР№021325 от 23.02.1999 .
Журнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций
Содержание номера
Научное обеспечение развития высокотехнологичных сфер животноводства
Сальникова И.Н. Особенности и тенденции развития воспроизводственного потенциала
отрасли животноводства в Орловской области............................................. 2
Буяров B.C., Крайс В.В., Буяров А.В., Миронов Д.С., Беленихин В.А. Эффективность
современных технологий производства мяса бройлеров и практика их внедрения............. 7
Шендаков А.И. Комплексный анализ результатов селекции молочного скота в Орловской
области................................................................................ 16
Мошкина C.B., Козлов А.С. Научное обоснование кормления высокопродуктивного
молочного скота........................................................................ 22
Феофилова Ю.Б., Козлов А.С. Влияние режима скармливания кормов коровам на
количественный состав микроорганизмов симбионтов рубца................................. 24
Михеева Е.А., Масалов B.H. Иммунохимические реакции организма крупного рогатого скота
под влиянием антигенов в разных радиационных зонах..................................... 26
Зулев Г.С. Изменение концентрации общих липидов в крови телят под влиянием разных доз
препарата «Эмицидин»................................................................... 28
Ляшук P.H., Шендаков А.И., Сурженков А.В. Селекционно-генетический потенциал
импортированного молочного скота....................................................... 30
Лещуков К.А., Мамаев А.В. Гемогормональный статус организма свиней при стимуляции
компенсаторно-адаптационных реакций.................................................... 32
Масалов B.H., Сеин О.Б., Сеин Д.О. Новые способы подготовки самцов-пробников и их
использование в качестве «биологических стимуляторов».................................. 36
Мосягин В.В., Максимов В.И., Фурман Ю.В. Особенность АТФаз ядерных и
цитоплазматических мембран эритроцитов цыплят-бройлеров................................ 39
Горлов И.Ф., Емельянов А.А., Шалимова О.А., Козлова Т.А., Киреева O.C., Стромская И.Я. Разработка состава съедобных пищевых плёнок и исследование фрактальных свойств
дистиллятов плодовых и ягодных культур в технологии производства мясных продуктов...... 42
Крюков В.И. Основные положения теории управления биологическими системами в генетическом мониторинге............................................................. 46
Инновации в растениеводстве
Козлов Ю.В., Самсонова Н.Е., Новикова Н.Е. Сравнительная оценка Мивала-Агро, брассиностероидных препаратов и протравителя семян при выращивании яровых зерновых на
дерново-подзолистой почве.............................................................. 54
Овсиенко С.М. Биостимуляторы - резерв повышения продуктивности яровой пшеницы.......... 59
Воронкова М.В., Павловская Н.Е. Оценка эффективности использования биологически активных компонентов растений в защите картофеля от колорадского жука (leptinotarsa
decemlineata Say)...................................................................... 62
Петелько А.И., Богачёва О.В. Влияние природных факторов на сток талых вод в центральном Нечерноземье......................................................................... 65
Интродукция и зелёное строительство
Волчанская А.В., Фирсов Г.А., Лаврентьев H.B. Клён японский (Acer japonicum Thunb.)
в Санкт-Петербурге..................................................................... 68
Дубовицкая О.Ю., Золотарева Е.В. Красивоцветущие деревья и кустарники для озеленения объектов малоэтажного строительства.................................................. 72
Совершенствование экономических механизмов развития аграрного сектора
Клевцов С.М., Сафронов В.В., Клевцова М.Г. Региональный лизинговый потенциал для
отраслей АПК: исследование и анализ.................................................... 77
Шалимов Д.В. Роль государственной поддержки кадрового потенциала АПК................... 82
Бердник-Бердыченко Е.Е., Алейнова М.В. Основы современного подхода к управлению
предприятием......................................................................... 87
Суворова С.П., Ханенко М.Е., Панкратова Л.А. Принципы организации внутреннего аудита.. 91 Скрипка B.H., Мельникова Е.В. Совершенствование порядка ведения расчетов по принятым обязательствам в бюджетном учете....................................................... 95
© ФГОУ ВПО Орел ГАУ, 2010
