Основные положения теории управления биологическими системами в генетическом мониторинге

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 ограниченно открытые . Выходы и входы биологических 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 строго не определено . Поэтому точно предсказать его невозможно . Вместе с тем , при многократном проведении экспериментов можно определить вероятность перехода системы в определённое состояние и с соответствующей степенью точности его 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 вышестоящего уровня . В то же время элементы данного уровня можно рассматривать как систему , содержащую подсистемы нижнего уровня . Уровни иерархии в системе могут различаться по любым исследуемым признакам : по уровню организации , по временным интервалам , пространственному распределению . Переход из одного состояния системы в другое может осуществляться мгновенными скачками ( в статических системах ). В других системах

( динамических ) такой переход осуществляется в течение некоторого промежутка времени . Установленные закономерные изменения биосистем могут быть выражены в математической форме .

Биосфера рассматривается биологическими науками как саморегулируемая система , в которой живое вещество с высокой точностью обеспечивает узкие физические и химические условия своего существования . Поэтому центральным звеном экологических исследований являются биологические системы разного уровня организации [1]. Целенаправленный процесс перевода сложной динамической системы из одного состояния в другое путём воздействия на её переменные называется управлением . Управление в целом является процессом приёма , накопления , преобразования и передачи информации . Использование информации в целях управления биологическими 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 . Ш еноном . 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 биологический объект .

• 2)    Передатчик , который определенным образом перерабатывает информационное сообщение и выдаёт сигнал , 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 биологической информации по каналам связи очень важны в биологической телеметрии , при автоматической обработке данных , при решении проблем биологического 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 сигнал 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 управляемого элемента и может корректировать процесс управления с целью изменения состояния управляемого элемента ( рис . 2).

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 сигналы 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 рассогласований действий системы с заданной ей программой . При положительной обратной связи рассогласование не устраняется , а усиливается .

Ж елаемое изменение состояния системы достигается посредством определённых на неё воздействий (сигналов управления). Последние содержат информацию о требуемых значениях управляющих воздействий. Управляющее воздействие на систему оказывается с помощью управляющей величины, т.е. всего того, что вызывает в системе изменения, соответствующие цели управления. Управляемой величиной называют такую величину, для поддержания которой на заданном уровне или для изменения которой во времени по определённому закону действует система управления. Например , такими управляемыми величинами могут быть исследуемые частоты генетических нарушений, происходящих у растений и животных под влиянием мутагенных факторов среды. Неуправляемыми величинами являются такие, использование которых не может быть осуществлено управляющей системой (субъектом управления). В экологических исследованиях к неуправляемым величинам могут быть отнесены климатические условия.

Спонтанно синтезируемые в окружающей среде из антропогенных поллютантов вещества , и синергидные проявления их взаимодействия с другими факторами , также являются неуправляемыми системами , случайными воздействиями окружающей среды .

Необходимость управления обусловливается возмущающими воздействиями , которые выводят управляемую систему из заданного состояния . Возмущающими воздействиями по отношению к управляемым биосистемам являются колебания материальных и энергетических потоков , а также экономических , организационных факторов , происходящих под влиянием внутренних и внешних причин . В экологическом мониторинге биосферы основным возмущающим воздействием является уровень техногенного загрязнения биосистем .

Совокупность правил , по которым информация о состояниях управляемой системы , внешней среды и программы управления преобразовывается для получения информации об управляющих воздействиях , называется алгоритмом управления . По определённым алгоритмам осуществляется процесс управления в живых организмах . Поиск и познание этих алгоритмов и является целью биологических наук .

Биологическая кибернетика имеет дело с системами очень большой сложности . Такие системы не могут быть описаны детально . Распространенным методическим подходом биологов при изучении биологических систем является исследование структуры и функций отдельных их элементов ( например , генетических ) и , затем , описание по этим элементам работы всей сложной системы . В кибернетике такой метод называется микроподходом и состоит в изучении алгоритмов функционирования отдельных элементов . Это – так называемые микроалгоритмы . Общий алгоритм функционирования сложной системы нельзя представлять как простую сумму микроалгоритмов . 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 "чёрного ящика" необходимо располагать определённой информацией. Чем больше разнообразных воздействий приходится на вход "чёрного ящика", тем больше информации мы получаем о состоянии выходов, тем с меньшей точностью мы можем представить себе структуру "чёрного ящика". Для того чтобы установить взаимосвязь входных воздействий с состояниями выходов, необходимо сделать столько анализов, сколько потребуется для того, чтобы разнообразие их исходов было минимальным. Именно поэтому биомониторинг экосистем может служить основанием для прогнозов лишь в том случае, когда он проводится систематически и осуществляется в связи с геохимическим и геофизическим мониторингами.

Взаимодействие высших и низших уровней сложной биологической системы основано на обмене информацией по принципу обратных связей , обладающих определёнными регулирующими порогами . Для низших уровней биосистем в некоторых границах характерны черты автономности . Пока информация , поступающая на этот уровень , не выходит за известные пороги толерантности , система использует имеющиеся у неё алгоритмы и вырабатывает соответствующие целесообразные реакции . При этом на высший уровень не посылается никаких сообщений .

Самоуправление , саморегуляция и самоконтроль характеризуют работу каждого из уровней биосистемы в отсутствие непредвиденных ситуаций . Саморегулирование – фундаментальное свойство любого биообъекта от клетки до биосферы . Адаптация – это один из вариантов саморегулирования биосистем . При изучении механизмов адаптации к различным , в том числе – антропогенным , факторам среды возникла острейшая необходимость междисциплинарного взаимодействия биохимии , генетики , и экологии . Одним из результатов такого междисциплинарного взаимодействия стало формирование молодой научной дисциплины – экологической генетики .

Биологическая система образована , в основном , элементами биологической природы . Однако в биологические системы высших порядков возможно включение биокосных , технических и даже социально - экономических элементов [4]. Основные особенности биообъектов как систем автоматического регулирования 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 биологические системы всегда могут 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 другого. В качестве этого элемента могут быть приняты субклеточные структуры, клетка, орган, физиологическая система, целый организм, популяция, экосистема. Элемент низшего уровня обладает свойствами саморегуляции, 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 его 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 высшего уровня вмешиваются в работу низшего. Должны существовать определённые динамически регулируемые пороги, которые определяют интенсивность потока информации по каналу обратной связи.

Рисунок 3 – Структурная аналогия технических и биологических систем

Рисунок 4 – Модель двухкомпонентной биологической системы

В биологии термин «экосистема» общепризнан и означает информационно саморазвивающуюся, термодинамически открытую совокупность биотических компонентов и абиотических источников вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах определённого участка биосферы, времени и пространства обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом и на основе этого – неопределённо долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих [13].

Разработка теории управления экосистемами на популяционном уровне требует изучения генетических механизмов адаптации популяций к действию антропогенных факторов . Изучая последствия загрязнения окружающей среды , мы рассматриваем экосистему как " чёрный ящик ". На входе этого " чёрного ящика " множество потоков информации , часть которой приводит к снижению адаптивных свойств организмов , составляющих популяции данной экосистемы – своего рода малых " чёрных ящиков ". Для системного анализа влияния техногенных загрязнений на биоту следует вычленить несколько таких малых " чёрных ящиков " ( популяций индикаторных видов ) и отдельные потоки информации , образуемые на их выходах ( например , частоты генетических нарушений ).

Основным средством исследования систем управления и связи является математика . Кибернетический подход в биологии включает в себя три этапа : 1) выяснение аналогий между инженерными понятиями ; создание принципиальных схем процессов управления в живом организме ; качественное описание этих схем в терминах кибернетики ; 2) использование математического аппарата кибернетики для количественного описания отдельных управляющих систем , количественная оценка реакций организма ; 3) синтез математических описаний отдельных управляющих систем и количественная оценка реакций организма . В настоящее время биологическая кибернетика занимается в основном проблемами , возникающими при реализации первого и второго 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 , когда исследователь различает лишь один вход и один выход , хотя предполагается , что в данной системе имеют место и другие 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 организм является "чёрным ящиком". Путём многочисленных 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 кругом 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 (гомоморфный подход) (задаю воздействия – анализирую результат); 2) выявление потоков информации (последовательные испытания с целью ограничения разнообразия ответов системы); 3) раскрытие кода информации (установление необходимых дихотомических выборов, правил, по которым состояния входов изменяют выходы); 4) построение модели, гомоморфной исследуемому «чёрному ящику» (установление алгоритма).

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 управляемого процесса , переходить к моделированию сложных процессов управления .

При изменении внешних условий (например , химического 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 любого нового, неизвестного ранее сигнала 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 . Ш ум создается в основном за счёт деятельности соседних элементов системы, поскольку каждый из них, обладая собственными алгоритмами, стремиться выполнить свою задачу, независимо от работы других элементов. Это создаёт взаимные помехи, которые, однако, благодаря корреляции, установленной вмешательством высших уровней (регуляция) или установившейся в процессе организации системы (эволюция), находятся ниже некоторого порога.

Для исследования биологической регуляции , по аналогии с техническими системами , может быть использован метод внесения определённых возмущений . Наблюдая при этом процесс регулирования , можно сделать выводы о качестве и возможностях этого регулирования . Перед внесением возмущений необходимо узнать нормальные параметры основных систем живого организма 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 организации в процессе приспособления новых взаимоотношений между биосистемами , обеспечивающих новый и достаточно устойчивый уровень функционирования . Модель такого уровня должна иметь математическое выражение стационарного процесса . В случае острых воздействий средовых факторов процесс реагирования 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 биологии . Все изменения состояния биосистем могут классифицироваться как компенсаторные изменения или изменения , связанные с расстройством регуляции , обусловленные повреждающим воздействием . Гибкость биологических систем и их высокая надёжность , даже в случае повреждающих воздействий , могут обеспечить нужный уровень регулирования за счёт дублирующих контуров управления или путём включения новых систем управления ( формирования новых программ ).

Построение математической модели исследуемых биологических 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 формализованного представления; 3) анализ количественных зависимостей между параметрами задачи; 4) определение целей, ограничений, 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, алгоритмов 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 целесообразного решения по избранному направлению развития исследуемого процесса.

Нормы допустимого поступления вредных веществ в среду обитания человека разрабатывают токсикологи и гигиенисты . Ими же контролируется выполнение установленных норм . Охрана всех других компонентов биосферы фактически становится прерогативой экологов . Им предстоит определить пределы возможного поступления ксенобиотиков в природную среду , не нарушающего функционирование биосистем на любом из уровней организации живого – от молекулярного до биогеоценотического . Однако нормативы предельно допустимых экологических нагрузок остаются слабо разработанными , и это препятствует эффективной работе по предотвращению экологических нарушений в процессе ведения экологического мониторинга . В связи с этим одной из актуальных задач экологов и токсикологов является разработка основ экологического нормирования токсичных , мутагенных и канцерогенных веществ .

Система природоохранных мероприятий с позиций системного 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 гомеостаз экосистем и благоприятное развитие экономики . С позиций биологической кибернетики здоровье общества рассматривается как состояние определённого 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 генетических и морфологических нарушений). Однако в популяциях человека изменение выходных величин не всегда 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 другой стороны, именно отсутствие социальных защитных механизмов от химического загрязнения в природе делает охрану генофондов и биологического 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 особого внимания. Создание практической системы генетического 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 – биолог »

Прогноз отдалённых последствий и планирование природоохранных мероприятий возможны на основании экспертных оценок специалистов. Экспертная оценка экологического состояния окружающей среды – это типичный кибернетический процесс, связанный со сбором, передачей, хранением и переработкой информации [2, 3, 7, 11]. Кибернетическая система «экосистема – эксперт-биолог» значительно сложнее, чем может показаться с первого взгляда, т.к. включает в себя и многочисленные средства сбора информации и цепи обратных связей (организационных 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 огромное количество разнообразных сигналов, 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 определённого 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, могут 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 экологии остро стоит в последние годы потому, что количество информации, которое необходимо перерабатывать экспертам при формулировании экспертных заключений и планов практических мероприятий по оптимизации нарушенной среды постоянно увеличивается. После составления экспертного заключения разрабатываются рекомендации по оптимизации состояния экосистемы, которые направляются в соответствующие административные органы для принятия соответствующих мер , направленных на оптимизацию окружающей среды в экосистеме. В процессе осуществления практических мер, направленных на улучшение экологической обстановки в экосистеме, экспертом-биологом проводятся дополнительные контрольные измерения информационных характеристик экосистемы, по которым он контролирует эффективность осуществляемых практических мер . Блок-схема циркуляции информации в системе «экосистема – эксперт – биолог» содержит два контура (см. рис. 5). Первый контур : «экосистема – эксперт – экспертное заключение». Сбор информации в этом информационном контуре осуществляется в соответствии с разработанным планом биомониторинга. Второй контур : «экосистема – эксперт – рекомендации по оптимизации – административные организационные 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, регулирующей деятельность административных органов. Эта информация используется как для коррекции первоначального экспертного заключения о состоянии среды, так и для внесения поправок в план продолжающихся мероприятий по оптимизации среды . Составление экспертного заключения связано с выполнением ряда строго последовательных логических операций. Условно можно выделить три основных этапа экспертизы : 1) сбор информации о состоянии среды (данные геофизического, геохимического и биотического мониторинга, экспертные оценки других специалистов) и хранение информации; 2) анализ собранной информации и отбор наиболее существенных данных, указывающих на возможные экологические нарушения в экосистеме или отдельных её компонентах; 3) оценка этих данных путём сопоставления с известными признаками аналогичных нарушений.

В соответствии с этими тремя этапами , построение информационных и экспертных систем генетического мониторинга 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 ); г ) системы представления данных ( регистрирующие устройства и средства хранения информации ); д ) получатель информации ( эксперт ).

• 2.    Анализ информации . Условно можно выделить три стадии анализа экологической 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 его мнению , соответствуют норме . Конечный этап экспертизы состоит в оценке собранных и проанализированных данных . Результатом такой оценки является экспертное заключение .

Существенная роль в формулировании экспертного заключения может принадлежать данным экологического мониторинга и его частных форм , например , мониторинга генетического . Структура генетического мониторинга отражает сложную иерархию биологических систем по уровню эволюционной организации и пространственному распределению . Упрощённый алгоритм потоков информации в комплексном региональном генетическом мониторинге антропогенного загрязнения 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 географическом положении источников техногенного загрязнения среды в контролируемом регионе. От их интенсивности и расположения зависит принятие решения о масштабе генетического контроля и картировании необходимых мест отбора проб.

Генетический мониторинг является сложной системой получения и переработки информации . В нём могут быть выделены несколько разделов : а ) мониторинг компонентов среды ( воздуха , воды , почвы ), б ) мониторинг загрязняющих факторов и их источников , в ) мониторинг объектов воздействия ( популяций растений , животных , человека ).

Генетический анализ компонентов среды проводят с использованием системы тестов ( тест Эймса , анализ доминантных леталей на дрозофиле , цитогенетический анализ и анализ доминантных леталей на млекопитающих и цитогенетический анализ лимфоцитов в культуре клеток человека ).

Интенсивность мутационного процесса в природных популяциях растений и животных осуществляют , исследуя организмы модельных видов .

Полная программа генетического мониторинга предполагает анализ воздействий средовых загрязнений на генофонды организмов различного уровня организации ( бактерий , растений , животных ), различных систематических групп ( 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 мутагенного загрязнения 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 , когда 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 ограничиваться развитие цивилизации . Человечеству будет необходимо подчиняться этим законам и обусловленными ими ограничениям , 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 загрязнение окружающей среды в результате нерациональной хозяйственной деятельности . Попытки ограничений производства путём контроля его 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 промышленного производства , и , тем более , вещества , образующиеся в экосистемах из техногенных смесей . Единственно возможным методом контролирования биологических эффектов этого массированного загрязнения среды может быть только биологическая и , в том числе генетическая индикация состояния биоты .

На охрану природной среды нужны средства. Относительная их величина сильно колеблется в зависимости от стратегии, направления и этапа развития национальной экономики. В развитых странах оптимальным для стабилизации и улучшения экологической 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 генетический 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 загрязнения среды на уровне, соответствующем международным требованиям. В связи с этим давно стоит острая необходимость создания Федерального межведомственного центра по оценке генетической опасности состояния среды и здоровья населения [6]. В настоящее время генетический мониторинг 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 программам областных природоохранных организаций.