Высокоупорядоченные системы что это
Высокоупорядоченные системы что это
Эля Мейланова запись закреплена
Система – это совокупность компонентов, находящихся во взаимодействии и образующих единое целое.
Типы биологических систем:
— открытые и закрытые (для энергии, информации, веществ)
— живые (биологические, социальные) и неживые (химические, физические)
— высокоупорядоченные (организмы) и с низкой упорядоченностью (кристаллы)
— саморегулирующиеся (организмы) и с внешней регуляцией (химические реакции)
Общие признаки систем: любая система состоит из элементов, частей (подсистем) и имеет определенную структуру.
Свойства систем: целостность (подчиненность компонентов общей цели); взаимосвязанность (изменение одного компонента приводит к изменению других); иерархичность (система может быть частью другой более крупной системы).
Принципы организации биологических систем
Открытость – биологические системы открыты для поступления в них веществ, энергии и информации.
Высокая упорядоченность – согласованность между образующими систему компонентами; эффективное использование поступающей энергии.
Оптимальность конструкции – наиболее удачные сочетания элементов и частей; биологические системы включают наиболее легкие химические элементы; экономия строительного материала, минимизация живого вещества.
Управляемость – переход из одного состояния в другое.
Иерархичность – взаимная соподчиненность элементов и частей.
Уровни организации живой материи
Молекулярный уровень
Определяется химическим составом живых систем (органические и неорганические молекулы и их комплексы), биохимическими процессами – обменом веществ и превращением энергии, хранением и передачей наследственной информации. На этом уровне проходит граница между живой и неживой природой.
Система: биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты.
Процессы: передача генетической информации – репликация, транскрипция, трансляция.
Органоидно-клеточный уровень
Обусловлен строением и функционированием клеток, их дифференциацией и специализацией в процессе развития и механизмами деления. Неклеточных форм жизни нет, а вирусы могут проявлять свойства живых систем только внутри живых клеток.
Система: клетка.
Процессы: клеточный метаболизм, жизненные циклы и деление, которые регулируются белками-ферментами.
Обусловлен совокупностью клеток, сходных по строению и объединенных выполнением общей функции.
Система: ткань.
Процессы: процессы взаимодействия клеток в многоклеточном организме.
Обусловлен строением и жизнедеятельностью нескольких типов тканей, которые образуют отдельные органы.
Система: орган.
Процессы: процессы взаимодействия органов и систем органов.
Организменный уровень
Определяется особенностями строения и функционирования отдельных особей, механизмами согласованной работы органов и систем органов, реакциями на меняющиеся условия среды.
Система: организм.
Процессы: онтогенез, метаболизм, гомеостаз, размножение.
Определяется взаимоотношениями между организмами одной популяции, между организмами и их средой обитания.
Система: популяция, вид.
Процессы: изменение генофонда, элементарные эволюционные изменения.
Биогеоценотический (экосистемный) уровень
Определяется взаимоотношениями между организмами разных видов и различной сложности организации.
Система: биогеоценоз (экосистема).
Процессы: круговорот веществ и превращение энергии в биогеоценозе (экосистеме), пищевые цепи и сети.
Определяется взаимоотношениями между различными экосистемами (биогеоценозами), круговоротом веществ и превращением энергии.
Система: Биосфера.
Процессы: круговорот веществ и превращение энергии.
8. Дискретность и целостность
Каждый организм (биологическая система) состоит из обособленных, отграниченных в пространстве элементов, которые между собой тесно связаны и взаимодействуют, то есть являются структурно и функционально едиными.
Способность живых организмов поддерживать постоянство физико-химического состава, интенсивность физиологических процессов в меняющихся условиях окружающей среды. Недостаток питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает прекращение их синтеза.
Изменения интенсивности физиологических процессов и функций с различными периодами колебаний (суточные, сезонные ритмы). Ритмичность обеспечивает приспособление организмов к периодически изменяющимся условиям существования.
Живые организмы – это открытые системы, которые являются устойчивыми только при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне.
Способность восстанавливать макромолекулы, органоиды и клетки при постепенном их разрушении.
Все живое, от биополимеров до биосферы, находится в определенной соподчиненности, и функционирование менее сложных биологических систем делает возможным существование более сложных биологических систем.
Лекция 1. Введение в общую биологию
Что такое биология? Что такое жизнь? Признаки живого, уровни организации живого.
Просмотр содержимого документа
«Лекция 1. Введение в общую биологию»
Биология (от греч. вios – жизнь и logos – учение, наука) изучает жизнь во всех проявлениях: строение и развитие живых организмов, их функции, взаимоотношения друг с другом и с окружающей средой. Биология относится к группе естественных наук наряду с математикой, физикой, химией и пр., объектом изучения которых является природа.
Термин «биология» впервые употребил в 1797 г Теодор Руз, а введен был в 1802 году Ж.Б.Ламарком для обозначения науки о жизни как особом явлении природы.
Современная биология – это интегрированная наука, комплекс наук, изучающих живую природу как особую форму движения материи, законы её существования и развития.
Общая биология – наука, изучающая общие свойства и закономерности развития живой природы.
Классификация биологических наук:
в зависимости от предмета исследования
1. микробиология (царство бактерий)
2. ботаника (царство растений)
3. зоология (царство животных)
4. микология (царство грибов)
5. орнитология (птицы)
6. лихенология (лишайники)
7. вирусология (вирусы)
8. бриология (мхи)
9. альгеология (водоросли)
10. ихтиология (рыбы)
11. энтомология (насекомые)
12. териология (млекопитающие)
в зависимости от изучения определенной стороны жизнедеятельности
(специальные науки)
1. эмбриология
2. генетика
3. физиология
4. экология
5. дарвинизм
6. этология
науки, изучающие морфологические особенности организмов
(сквозные науки)
1. анатомия
2. цитология
3. гистология
интегрированные науки:
1. биофизика
2. биохимия
3. молекулярная биология
4. генная и клеточная инженерия
5. биотехнология
Объектом исследования общей биологии является жизнь – одна из высших форм движения материи, одна из альтернативных форм существования объективной реальности.
К материи относится все частицы и поля, из которых состоит окружающий нас мир. Материя непрерывно изменяется, движется. К низшим формам движения материи относятся физико-механическое и химическое, к высшим – биологическое и социальное.
Объективная реальность – это все то, что существует независимо от нашего сознания, независимо от наших взглядов, знаний, желаний. К объективной реальности относится материя, а также связанные с ней идеальные (нематериальные) явления и процессы, например, информация. С точки зрения биологии, объективная реальность существует одновременно в двух альтернативных формах: живой и неживой.
Классическое определение жизни дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
В настоящее время для определения жизни широко используется системный подход. Система – это определенным образом организованная совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое целое. При этом свойства всей системы несводимы к сумме свойств составляющих её элементов.
На основе системного подхода можно дать следующее определение жизни (по М. В. Волькенштейну): «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».
Однако приведенные определения жизни, основанные на биохимическом подходе, не охватывают всего многообразия различий между живым и неживым. Биологические системы обладают рядом существенных особенностей, которые в неживых системах или вообще не обнаруживаются, или встречаются как исключение.
Единство химического состава – одинаковые хим. элементы входят в состав живой и неживой природы, но их соотношение неодинаковое.
Основные свойства (критерии) живых организмов:
Высокоупорядоченное строение (молекулы БЖУ, клетка – единица структурная и функциональная, организм и т.д.)
Энергозависимость – организм – это открытая система.
Рост и развитие (развитие живой материи представлено онтогенезом и филогенезом). Закономерные изменения организмов во времени называют развитием.
Наследственность и изменчивость
Саморегуляция – способность сохранять основные черты строения и функционирования при изменении окружающей среды
Адаптация (приспособления)– особенности строения, функций и поведения соответствуют образу жизни. Биологическая целесообразность – относительная приспособленность к условиям существования.
Ритмичность – периодические изменения интенсивности физиологических функций, связанных с различными периодами колебаний (суточные и сезонные)
Раздражимость – ответная избирательная реакция организма на раздражение (внешнее воздействие)***
Дискретность и целостность (лат. Discretus – прерывистый, состоящий из частей) – любая биосистема состоит из отдельных взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство.
Каждый организм, построенный из отдельных элементов, ведет себя в своей жизнедеятельности и взаимоотношениях со средой как единое целое, как система.
Изменения характера роста растений, (перемещение части растения, вызываемое и направляемое внешним стимулом)
Изменение характера движения (перемещение клетки или всего организма, вызываемое внешним стимулом.)
Ненаправленное движение части растения ответ на внешнее раздражение
Ответная реакция организма на раздражение, осуществляемая и контролируемая ЦНС.
Гелиотропизм (фототропизм)
(побеги «+», корни «-»)
Аэротропизм
(пыльцевые трубки «-», корни «+»)
Гаптотропизм
(твердая поверхность)
«+» усики гороха к опоре
Фототаксис
«+» растения,эвглена
«-» тараканы, мокрицы)
Хемотаксис
«+» сперматозоид к яйцеклетке
«-» комар – репелленты
Аэротаксис
«+» бактерии аэробы
Геотаксис (сила тяжести)
«+»личинки планулы кишечнополостых опускаются на дно,
«-»личинки эфиры кишечнополостных всплывают к поверхности воды
Реотаксис (сопротивление среды)
«+»бабочки летят против ветра
Уровни организации живой материи:
1. Молекулярно-генетический уровень
На этом уровне происходит хранение, воспроизведение и начальная реализация наследственной информации. При хранении и воспроизведении наследственной информации возникают мутации – случайные, ненаправленные изменения генетического материала.
2. Клеточный уровень
Клетка – это элементарная биологическая система, обладающая всеми свойствами и признаками жизни. В сущности, жизнь начинается с клетки. На клеточном уровне протекают все обменные процессы. Упорядоченность и физиологическое единство обменных процессов обеспечиваются самой морфологической организацией клетки.
3. Онтогенетический (организменный) уровень
Онтогенезом называется индивидуальное развитие организма с момента образования зиготы до гибели этого организма. В ходе развития формируются все признаки организма, составляющие его фенотип, то есть полностью завершается реализация наследственной информации. Поэтому именно онтогенез является объектом действия естественного отбора.
4. Популяционно-видовой уровень
Популяции являются конкретной формой существования видов, поэтому популяционный и видовой уровень объединяют вместе. На популяционно-видовом уровне в ходе естественного отбора происходит дифференциальное (неодинаковое) воспроизведение генотипов, изменяется генотипическая структура популяций, протекает эволюция видов.
5. Биогеоценотический уровень (биоценоз+экотоп=биогеоценоз)
Этот уровень включает конкретные естественноисторические сообщества организмов в единстве с их средой обитания. В биогеоценозах происходит круговорот веществ и поток энергии. Популяции разных видов взаимодействуют между собой и эволюционируют в составе конкретных биогеоценозов («биогеоценоз – арена первичных эволюционных преобразований»). Поскольку эволюционируют популяции, постольку эволюционируют и биогеоценозы.
6. Биосферный уровень (толщина биосферы 20-40 км)
Совокупность всех биогеоценозов образует биосферу. Биосфера – это геологическая оболочка Земли, сформировавшаяся в результате деятельности биологических систем. В результате исторического развития органического мира Земли осуществляется глобальный круговорот веществ с переносом и трансформацией энергии. Следовательно, на биосферном уровне жизнь выступает как космическое явление.
Все перечисленные уровни образуют иерархичную систему (соподчинение), в которой каждый уровень характеризуется собственной спецификой, а явления одного уровня не могут быть описаны на других уровнях.
Элементы, образующие систему
атомы и молекулы БЖУ
Хранение, воспроизводство и начальная реализация наследственной информации(биосинтез белка)
Способность к воспроизведению, запас и расход энергии, вкл различных хим.элементов в состав клетки
Процессы онтогенеза: реализация наследственной информации, формируются характерные особенности данного вида.
(генетически открытые системы)
Рождаемость, смертность, выживаемость, структура популяции, плотность, численность.
Изменчивость и естественный отбор
Потоки энергии и круговорот веществ
Взаимодействие живого и неживого, влияние хоз. деятельности человека на природу, биологический круговорот веществ и энергии в масштабах всей планеты.
Методы изучения биологии:
Наблюдение – МИЖП в обычной обстановке
Сравнение – нахождение общих закономерностей и различий.
Исторический – МИЖП, при котором познание процессов развития живой природы строится на основе данных о современном органическом мире и его прошлом.
Эксперимент (опыт) – МИЖП в специально измененных человеком условиях.
Моделирование – имитирование процессов, недоступных для наблюдения или экспериментального воспроизведения.
Инструментальный – микроскопия, центрифугирование, радиолакация.
Методы изучения клетки:
Световая микроскопия (увеличение до 3000 раз)
Электронная микроскопия (увеличение в десятки и сотни тысяч раз)
Изучение фиксированных клеток:
-цитохимический метод (исследование химической организации клетки и процессов обмена веществ)
-метод авторадиографии (изучение биохимических процессов в динамике – введение в клетку радиоактивных изотопов)
Витальное (прижизненное) изучение клеток (изучение свободноживущих простейших организмов, клеток культуры тканей и клетки крови)
Метод культуры тканей (изучение клеток, способных к автономному росту)
Метод фракционирования клетки (дифференциальное ультрацентрифугирование)
Рентгеноструктурный анализ (изучение конфигурации молекул белка, нуклеиновых кислот.)
Микрохирургия (операции на клетке и органоидах)
Методы изучения человека:
Вот уже несколько десятилетий человечество является свидетелем бурного прогресса биологии. Именно от биологии ждут решения важных проблем, связанных с сохранением окружающей среды, обеспечением продовольствием, здоровьем людей.
Области применения биологических знаний:
агрономия и агротехника (биологические методы борьбы с вредителями)
медицинская генетика (ранняя диагностика, профилактика и лечение наследственных заболеваний)
генная и клеточная инженерия – методы промышленного получения БАВ (ген, отвечающий за выработку инсулина встроен в геном кишечной палочки, получение соматропина – гормона роста, вакцин и иммуногенных препаратов, замещение дефектных генов)
медицина (учение об иммунитете, микробиология и паразитология, тканевая несовместимость при пересадке органов и пути её преодоления)
биотехнология (практическое использование достижений биологии в промышленных масштабах) бионика (принципы строения живых система используются в машиностроении, кораблестроении, создании уникальных механизмов и приборов)
охрана природы, экология, рациональное использование природных ресурсов
В современном органическом мире выделяют неклеточные и клеточные формы жизни.
Неклеточные формы: царство Вирусы (ДНК и РНК содержащие)
Клеточные формы: Прокариоты – царство Бактерии, Эукариоты – царства Р, Г и Ж
Высоконагруженные системы: решение основных проблем
Сегодня я хочу рассказать о некоторых решениях проблем, которые возникают во время использования высоконагруженных систем. Все, о чем пойдет речь в этом материале, проверено на собственном опыте: я – Social Games Server Team Lead в компании Plarium, которая занимается разработкой социальных, мобильных, браузерных игр.
Для начала немного статистики. Plarium занимается разработкой игр с 2009 года. На данный момент наши проекты запущены во всех наиболее популярных социальных сетях («Вконтакте», «Мой мир», «Одноклассники», Facebook), несколько игр интегрированы в крупные игровые порталы: games.mail.ru, Kabam. Отдельно существует браузерная и мобильная (iOS) версии стратегии «Правила войны». В базах числятся более 80 миллионов пользователей (5 игр, локализация на 7 языках, 3 миллиона уникальных игроков в день), в итоге все наши серверы получают в среднем около 6500 запросов в секунду и 561 миллион запросов в сутки.
Учитывая специфику нашей работы, необходимо не только обеспечить стабильное функционирование систем, но и гарантировать, что они смогут выдержать большой скачок нагрузки. Увы, многие популярные подходы и технологии не выдерживают проверку высокой нагрузкой и быстро становятся узким местом в системе. Поэтому, проанализировав множество проблем, мы нашли оптимальные для нас (как мне кажется) пути их решения. Я расскажу, какие технологии мы выбрали, от каких отказались, и объясню, почему.
NoSQL vs. Relational
В этом сражении чистый NoSQL показал себя слабым бойцом: существовавшие на тот момент решения не поддерживали вменяемую консистентность данных и не обладали достаточной устойчивостью к падениям, что давало о себе знать в процессе работы. Хотя в итоге выбор пал на реляционные СУБД, которые позволяли использовать транзакционность в необходимых местах, в целом в качестве основного подхода используется NoSQL. В частности, таблицы зачастую имеют очень простую структуру типа ключ-значение, где данные представлены в виде JSON, который хранится в упакованном виде в колонке BLOB. В результате схема остается простой и стабильной, при этом структура поля данных может легко расширяться и изменяться. Как ни странно, это дает очень хороший результат – в нашем решении мы объединили преимущества обоих миров.
Учитывая тот факт, что чистый ADO.NET имеет минимальный оверхед, а все запросы созданы вручную, знакомы и греют душу, он отправляет любые ORM в глубокий нокаут. А всё потому, что объектно-реляционное отображение имеет в нашем случае ряд минусов, таких как низкая производительность и низкий контроль запросов (или его отсутствие). При использовании многих решений ORM приходится долго и часто бороться с библиотекой и терять главное – скорость. А уж если речь заходит о хитром флаге для правильной обработки тайм-аутов клиентской библиотеки или о чем-то аналогичном, то попытки представить установку такого флага с использованием ORM окончательно расстраивают.
Distributed transactions vs. Own Eventual Consistency
Основная задача транзакций – обеспечить согласованность данных после завершения операции. Изменения либо успешно сохраняются, либо полностью откатываются, если что-то пошло не так. И если в случае одной базы мы были рады использовать этот, без сомнения, важный механизм, то распределенные транзакции при высоких нагрузках показали себя не с лучшей стороны. Результат использования – увеличенное время ожидания, усложнение логики (здесь вспоминаем еще про необходимость обновления кэшей в памяти экземпляров приложений, возможность возникновения мертвых блокировок, слабую устойчивость к физическим сбоям).
В итоге мы разработали свой вариант механизма для обеспечения Eventual Consistency, построенный на очередях сообщений. В результате мы получили: масштабируемость, устойчивость к сбоям, подходящее время наступления согласованности, отсутствие мертвых блокировок.
SOAP, WCF, etc. vs. JSON over HTTP
MVC.NET, Spring.NET vs. Naked ASP.NET
Опираясь на опыт работы, могу сказать, что MVC.NET, Spring.NET и им подобные фреймворки создают лишние промежуточные конструкции, которые мешают выжимать максимальную производительность. Наше решение построено на самых базовых возможностях, предоставляемых ASP.NET. Фактически точкой входа являются несколько обычных хендлеров. Мы не используем ни одного стандартного модуля, в приложении нет ни одной активной сессии ASP.NET. Всё понятно и просто.
Немного о велосипедах
Если ни один из существующих методов решения проблемы не подходит, приходится становиться немного изобретателем и заново искать ответы на вопросы. И пусть иногда ты изобретаешь велосипед, если этот велосипед критически важен для проекта – оно того стоит.
JSON сериализация
Чуть больше трети используемого нами времени CPU тратится на сериализацию/десериализацию больших объемов данных в формате JSON, поэтому вопрос эффективности данной задачи является очень важным в контексте производительности системы в целом.
Изначально в работе мы использовали Newtonsoft JSON.NET, но в определенный момент пришли к выводу, что его скорости недостаточно, и мы можем реализовать нужное нам подможество фич более быстрым способом, без необходимости поддержки слишком большого количества вариантов десериализации и «замечательных» фич вроде валидации схем JSON, десериализации в JObject и т.д.
Поэтому мы самостоятельно написали сериализацию с учетом специфики своих данных. При этом на тестах получившееся решение оказалось в 10 раз быстрее JSON.Net и в 3 раза быстрее fastJSON.
Критически важной для нас была совместимость с уже существующими данными, сериализованными с помощью Newtonsoft. Чтобы убедиться в совместимости, перед включением нашей сериализации в продакшн мы провели тестирование на нескольких крупных базах: вычитывали данные в формате JSON, десериализовали с помощью нашей библиотеки, снова выполняли сериализацию и проверяли исходный и конечный JSON на равенство.
Из-за нашего подхода к организации данных мы получили отрицательный эффект в виде слишком большого размера кучи больших объектов (large object heap). Для сравнения, ее размер в среднем составлял порядка 8 гигабайт против 400—500 мегабайт в объектах второго поколения. В итоге эту проблему решили путем разбивки больших блоков данных на блоки меньшего размера с использованием пула ранее выделенных блоков. Благодаря такой схеме куча больших объектов значительно уменьшилась, сборки мусора стали происходить реже и легче. Пользователи довольны, а это главное.
Работая с памятью, мы используем несколько кэшей разных размеров с различными политиками устаревания и обновления, при этом конструкция некоторых кэшей предельно проста, без всяческих излишеств. В результате показатель эффективности всех кэшей – не ниже 90—95%.
Опробовав Memcached, мы решили отложить его на будущее, т.к. пока что в нем нет необходимости. В целом результаты были неплохие, но общий выигрыш по производительности не превысил стоимость дополнительной сериализации/десериализации при помещении данных в кэш.
• Профилировщик
Так как привычные профилировщики значительно замедляют скорость работы приложения при подключении к нему, фактически делая невозможным профилировку достаточно нагруженных приложений, мы используем свою систему счетчиков производительности:
На этом тестовом примере видно, что мы оборачиваем основные операции в счетчики с именами. Статистика накапливается в памяти и собирается с серверов вместе с другой полезной информацией. Поддерживаются иерархии счетчиков для анализа цепочек вызовов. В результате можно получить подобный отчет:
Среди положительных сторон:
— счетчики всегда включены;
— минимальные издержки (менее 0,5% ресурса используемого CPU);
— простой и гибкий подход к указанию профилируемых участков;
— автоматическая генерация счетчиков для точек входа (сетевых запросов, методов);
— возможность просмотра и агрегации по принципу parent—child;
— можно оценивать не только real-time данные, но и сохранять значения измерений счетчиков по времени с возможностью дальнейшего просмотра и анализа.
• Логирование
Зачастую это единственный способ диагностики ошибок. В работе мы используем два формата: human readable и JSON, при этом пишем всё, что можно писать, пока хватает места на диске. Собираем логи с серверов и используем для анализа. Всё сделано на базе log4net, поэтому не используется ничего лишнего, решения максимально просты.
• Администрирование
В дополнение к богатому графическому веб-интерфейсу нашей админки мы разработали веб-консоль, в которую можно добавлять команды прямо на игровом сервере, при этом не внося изменения в админку. Также с помощью консоли можно очень просто и быстро добавить новую команду для диагностики, получения технических данных в режиме онлайн или возможности подстройки системы без перезагрузки.
• Развертывание
С увеличением количества серверов выливать что-либо вручную стало невозможно. Поэтому всего за неделю работы одного программиста мы разработали простейшую систему для автоматизированного обновления серверов. Скрипты были написаны на C#, что позволяло достаточно гибко модифицировать и поддерживать логику развертывания. В результате мы получили очень надежный и простой инструмент, который в критических ситуациях позволяет обновить все продакшн-серверы (порядка 50) за несколько минут.
Для того чтобы добиться скорости при высокой нагрузке на серверы, необходимо использовать более простой и тонкий стек технологий, все инструменты должны быть знакомы и предсказуемы. Конструкции должны быть одновременно простыми, достаточными для решения текущих проблем и иметь запас прочности. Оптимально использовать горизонтальное масштабирование, производить кэш-контроль производительности. Логирование и мониторинг состояния системы – must have для жизнеобеспечения любого серьезного проекта. А система развертывания значительно упростит жизнь, поможет сэкономить нервы и время.