Рассмотрите рисунок 1. Чем система отличается от ее частей и элементов?
Вспомните основные отличия живых тел природы от неживых.
Живая материя на нашей планете существует в форме разнообразных биологических систем (биосистем)- клеток, организмов, популяций видов, биоценозов, биогеоценозов и биосферы. Они состоят из разных компонентов, отличаются друг от друга происходящими в них процессами и выполняемыми функциями. Вместе с тем организация биосистем подчинена общим принципам, определяющим их функционирование и развитие.
Общее понятие о системе. Термин «система» используется в разных областях науки. Согласно современным представлениям, система - есть совокупность
Рис. 1. Основные компоненты системы и связи между ними: 1 - система; 2 - подсистемы (части системы); 3 — элементы; 4 — связи между элементами и частями (структура системы); элементов, находящихся во взаимодействии, и образующая единое и четко разделенное на части целое.
Выделяют разные типы систем: неорганические и органические, простые и сложные, естественные и искусственные, открытые и закрытые. Несмотря на большое разнообразие, в любых системах всегда присутствуют элементы, части (подсистемы) и связи между ними - структура системы (рис. 1).
Элементы - составные компоненты системы. Так, если в качестве примера системы рассмотреть клетку, ее компоненты (элементы системы) - атомы и молекулы входят в состав образующих клетку частей (подсистем ) - органоидов. Благодаря органоидам клетка питается, дышит, делится и растет, т.е. ведет себя как целостное образование. Следовательно, атомы и молекулы - необходимые компоненты клетки, но не достаточные для нее как целостной системы. В клетке (как системе), кроме элементов должны обязательно присутствовать ее части - органоиды.
Структура системы - связи элементов в системе, обеспечивающие ее существование как целостного образования. В качестве примера, иллюстрирующего значение структуры, рассмотрим необычную портретную картину, выполненную в жанре маньеризма итальянским художником XVI в. Д. Арчимбольди (рис. 2). Эта картина состоит из овощей, фруктов, цветков, колосьев и др. При взгляде на нее с близкого расстояния видны лишь отдельные элементы, своеобразный натюрморт, который издалека образует систему - аллегорический портрет, возникающий благодаря продуманной художником структуре - особому сочетанию формы и цвета, слагающих картину элементов.
Рис. 2. Джузеппе Арчимбольди. «Рудольф II в виде Вертумна», 1591 г.
Рис. 3. Открытость биологических систем для веществ, энергии и информации — одно из фундаментальных свойств живого
Принципы организации биологических систем.
Один из наиболее важных принципов организации биосистем - их открытость для поступающих извне веществ, энергии и информации (рис. 3). Почти все природные системы открытые. Согласно второму закону термодинамики - одного из фундаментальных законов физики, любая биосистема использует лишь часть общей энергии от поступающих в нее химических соединений. Эту часть энергии называют свободной. Остальная энергия рассеивается в виде тепла. Любая система характеризуется энтропией - мерой ее неупорядоченности, отклонения реального процесса от идеального. Чем больше энтропия системы, тем меньше ее упорядоченность и количество свободной, т.е. доступной, энергии. Для уменьшения энтропии необходимо совершить работу (рис. 4). В неживых системах энтропия постоянно растет, а значит, увеличивается неупорядоченность системы, или хаос. Например, горные породы вследствие роста энтропии превращаются в песок, который перемещается водой, ветром и силой земного тяготения (рис. 5). Биологические, или живые, системы, наоборот: непрерывно совершают работу по уменьшению энтропии. При этом они увеличивают свою организацию, т.е. согласованность между образующими их частями и элементами, что позволяет системе эффективно использовать свободную энергию. Таким образом, биосистемы построены по принципу высокой, упорядоченности, обеспечивающего эффективное использование поступающей в них энергии.
Высокая упорядоченность биосистем достигается через реализацию в их строении принципа оптимальности конструкции. Практически все биосистемы - результат естественного отбора, сохранившего в процессе эволюции наиболее удачные сочетания элементов и частей, образовавших как отдельные организмы, так и их совокупности - популяции и сообщества.
Принцип оптимальности конструкции наиболее отчетливо заметен в химическом составе тел организмов.
Рис. 4. Для наведения порядка на книжной полке необходимо затратить энергию и совершить работу, т.е. уменьшить энтропию системы - ее неупорядоченность
Рис. 5. Системы с разным уровнем упорядоченности: 1 — неживые тела природы (низкая упорядоченность); 2 — живые тела (высокая упорядоченность)
Так, из всех известных к настоящему времени в науке химических элементов в молекулах неорганических и органических соединений живого постоянно встречаются только 22 элемента. При этом 99% из них приходится на долю водорода, кислорода, углерода и азота. Биосистемы включают в свой состав наиболее легкие из элементов земной коры.
Примером реализации в биосистемах принципа оптимальности конструкции служит также экономия строительного материала. Следствие экономии - минимизация живого вещества. Так, вся наследственная программа одного человеческого организма зашифрована всего лишь в 10-15 г ДНК, расположенных в ядре зиготы - оплодотворенной яйцеклетки. Если эту информацию перевести на язык слов, то для их записи на бумаге понадобится более 100 томов книг.
Благодаря компактности биосистем создается колоссальный эффект усиления. Так, при переводе генетической программы с молекулярного уровня на уровень признаков взрослого организма увеличение информации достигает 22 порядков - величины, о которой могут только мечтать специалисты по электронной технике. Один из создателей теории биологических систем - австрийский ученый Людвиг фон Берталанфи (1901-1972) доказал, что благодаря миниатюрности внутриклеточных структур макроскопические параметры биосистем (размеры, скорость обмена веществ, солевой и газовый состав внутренней среды) остаются относительно постоянными, хотя непрерывно происходят разнообразные изменения ввода и вывода веществ, энергии и информации.
Рис. 6. Переход организма от состояния бодрствования ко сну и обратно - пример управляемости биосистем
Информации принадлежит ведущая роль в приспособлении биосистемы к изменениям среды. Посредством разнообразных сигналов (нервных импульсов, гормонов, ионов, звуков, запахов) биосистемы достигают согласованности в работе образующих их компонентов. Они максимально выгодно для себя используют вещества и энергию, поступающие из окружающей среды. Следовательно, биосистемы построены в соответствии с принципом управляемости, обеспечивающим ее переход из одного состояния в другое (рис. 6).
Практически все биосистемы обладают чрезвычайно сложным строением. В этом проявляется принцип иерархичности, т.е. соподчиненности элементов и частей. Например, многоклеточный организм состоит из органов, тканей и клеток, образующих единое целое - самостоятельную биологическую систему. Согласованность работы частей этой системы достигается благодаря подчинению работы клеток - тканям, тканей - органам, органов - системе органов, систем органов - всему организму. Организмы, в свою очередь, образуют популяции, существующие по законам взаимовыгодных, нейтральных, или взаимовредных отношений между особями видов растений, животных, грибов и бактерий. Популяции образуют сообщества организмов - биоценозы, в которых биотические взаимоотношения объединены в единую вещественно-энергетическую сеть с неживой природой.
Итак, в биосистемах проявляются общие принципы организации открытых для веществ, энергии и информации высокоупорядоченных систем, обладающих четко выраженной структурой, т.е. связями между элементами и частями. Эти части способны к приспособительным изменениям, происходящим как в самой биосистеме, так и в окружающей среде, что лежит в основе адаптации живого к различным условиям среды.
Биологическая система (биосистема); элементы, структура биосистемы; принципы организации биосистем: открытость, высокая упорядоченность, оптимальность конструкции, управляемость, иерархичность.
1. Дайте определение системы. В чем выражается ее структура? Приведите примеры биологических систем. 2. Почему биосистемы считают открытыми системами? 3. Объясните с позиций термодинамики работу биосистемы по преодолению нарастающей в ней энтропии. Идет ли такая работа в неживых системах? 4. Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем? 5. Каково значение информации, поступающей в биосистему? 6. Докажите на примере любой биосистемы, что она иерархична. 7. Заполните (в тетради) таблицу.
Биологические системы
|
Принципы организации |
Примеры проявления принципа организации |