Какими свойствами обладают биосистемы
Весь окружающий нас мир – это совокупность природных факторов и антропогенного воздействия, что существуют и меняются на протяжении всей истории человечества. Энтропия разрывает этот мир, но он продолжает существовать в динамическом равновесии. В состоянии, которое очень легко нарушить, и при этом пострадают в первую очередь биосистемы. Что такое биосистема в биологии, каковы ее уровни и составляющие – тема данной статьи.
Академические термины
В систему объединяют функциональные элементы, которые связаны между собой и выполняют одну функцию как единое целое. Биологическая система – это совокупность упорядоченных, взаимодействующих и взаимозависимых живых структурных элементов. Они образуют единое целое как система ступеней, вытекающих одна из другой и выполняющих совместную функцию.
Фундамент и надстройка жизни
Способность всего живого из хаотичного теплового движения атомов и молекул создать порядок – это самая удивительная и глубокая особенность жизни. Фундаментальными свойствами жизни в биологии считают: способность живого к саморегуляции, самовоспроизведение и самообновление. К надстройке или необходимым атрибутам жизни относятся обмен веществ в организме и с окружающей средой (питание, выделение и дыхание), движение, раздражимость по принципу обратной связи, возможности адаптации, рост и развитие в процессе онтогенеза.
Основные свойства биосистемы
К основным свойствам относятся:
- Единство функционала (биохимического, физиологического).
- Целостность (сумма элементов не равна свойствам системы).
- Ступенчатость (система состоит из подсистем).
- Адаптация (способность к изменениям по принципу обратной связи).
- Динамическая устойчивость.
- Способность развиваться и самовоспроизводиться.
Уровни организации
Живая материя образует гомогенные системы со своим типом взаимодействий элементов, пространственным и временным масштабом процессов. Эти гомогенные биосистемы занимают свое место в системе живой материи. Основных уровней биосистем восемь:
- молекулярный;
- клеточный;
- тканевый;
- органный;
- онтогенетический или организменный;
- популяционный и видовой;
- экосистемный или биогеоценотический;
- биосферный.
Единство жизни
Все уровни перетекают один в другой, включаются друг в друга, переплетаются в единство всего живого на планете. Они символизируют многообразие жизненных форм и представляют собой единицы материи со своей спецификой процессов и проявлений. Жизнь возникла, существует и меняется в целостных биосистемах. Что такое биосистемы – это открытые системы, способные к росту и развитию, динамически устойчивые и самовоспроизводящиеся. Тогда как системы неживые – закрыты, статичны и склонны к деградации.
Изучение организации биосистем
Описание организации таких систем включает выделение подсистем или компонентов биосистемы. Далее исследуют все аспекты существования биосистем, а именно:
- Структура. Анализ организации структуры проводится с помощью метода классифицирования – многоступенчатого и последовательного разделения совокупности для получения знаний о составе, связях и устройстве системы.
- Функционал. Изучение функциональной структуры подразумевает определение функции, которую каждый компонент системы выполняет во всем процессе.
- Основные свойства биосистем. Это показатель сущности системы в отношениях с другими, их закономерные взаимосвязи.
По такой схеме опишем самые главные примеры биосистем.
Клетка – элементарный пример биосистемы
Структурной составляющей данной биосистемы является мембранный аппарат, цитоплазма, органеллы и нуклеотид (ядро). Базовый уровень – молекулярный. Функциональная составляющая данной системы – это согласованная работа всех структур. Основные свойства будут определяться структурно-функциональной спецификой цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, органелл и ядра.
Организм как биосистема
На этом уровне на первое место выходят системы регуляции и приспособительные способности, как механизм сохранения целостности и упорядоченности в условиях изменяющихся условий жизни. Структурная организация различна (от безъядерных, одноклеточных до многоклеточных) и наиболее разнообразна. Базовый уровень – клетка. Функциональные особенности: дифференциация клеток, тканей, органов подразумевает более сложные уровни структурного состава; взаимозависимость дифференцированных элементов друг от друга; интеграция и внутренние связи подсистем. Основными свойствами на этом уровне будет общее усложнение и разнообразие свойств живой материи. Например, свойство материи к воспроизводству себе подобных на этом уровне представлено бесполым, половым и вегетативным способом размножения.
Популяционно-видовой уровень
Что такое биосистема на данном уровне – это единица эволюционного процесса, как движущей силы появления всего многообразия жизни на Земле. Именно в ключе эволюционного учения этот уровень становится основополагающим. Вид, как совокупность организмов, обладающая внешним и внутренним сходством, свободно скрещивающихся между собой (для панмиктичных видов) и дающих фертильное потомство, обитающих на определенной территории довольно длительный период времени и имеющих общих филогенетических предков – вот структурная единица данного уровня. Функциональная составляющая: индивидуальный приспособительный потенциал особи, внутривидовая конкуренция и естественный отбор. Вид – закрытая система в генетическом аспекте. Ведь именно порог не скрещиваемости с представителями других видов дает организмам видовую специфичность.
Биосфера – глобальная экосистема
Другой пример того, что такое биосистема, – биосфера, как система наивысшего порядка. Структурный компонент – биотический (живые организмы и продукты их жизнедеятельности) и абиотический (химические компоненты и физические условия). Элементарная единица структуры – биогеоценоз. Функциональный аспект – круговорот веществ в природе, наличие биохимических циклов, для которых характерны открытость и замкнутость. Главные функции биотического компонента – окислительно-восстановительная, концентрационная и газовая. Основные свойства – свойства живой материи.
Биология — совокупность наук о живой природе. Она изучает все проявления жизни: строение и функции живых существ и сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Задача биологии — раскрытие сущности жизни, изучение ее закономерностей, их применение для улучшения жизни человека и охраны его здоровья.
Отрасли биологии. Классификация отраслей биологии осуществляется по нескольким принципам. Так, существует разделение биологических наук по объекту изучения. Изначально биологию разделили на зоологию (науку о животных) и ботанику (науку о растениях), позже выделились микология (изучение грибов) и микробиология (изучение микроорганизмов, в первую очередь — бактерий). Зоология разделилась на зоологию беспозвоночных и зоологию позвоночных. В зоологии беспозвоночных выделяют малакологию (изучает моллюсков), энтомологию (насекомых), паразитологию (животных, ведущих паразитический образ жизни) и т. д. В зоологии позвоночных — ихтиологию (рыбы), герпетологию (амфибии и рептилии), орнитологию (птицы) и териологию (млекопитающие). В ботанике выделяют альгологию (изучает водоросли), лихенологию (лишайники), бриологию (мхи) и т. д.
Часть биологических наук разделяется по принципу использования определенных методов изучения. К ним относятся, например, биохимия, цитология, биология индивидуального развития, генетика, экология, эволюционная биология и т. д. Некоторые области биологии возникли на стыке с другими науками. Это биометрия (наука на грани статистики), палеонтология (на стыке с геологией), космическая биология, биофизика и т. д.
Значение современной биологии. К началу XXI в. биология накопила огромный потенциал, благодаря которому она влияет на жизнь каждого человека. Новые методы лечения, продления жизни, получения пищи позволили человеку повысить качество своей жизни, но привнесли определенные опасности. Молекулярные и клеточные технологии, клонирование, генная инженерия могут в корне изменить мир, в котором мы живем. Многочисленность человечества и более долгая жизнь привели к распространению новых болезней. Воздействие человека на биосферу привело к глобальному экологическому кризису, последствия которого еще не вполне ясны. Охрана природы стала необходимым условием выживания человечества. Все это делает биологическое образование необходимым для каждого гражданина.
Жизнь — это поддержка и воспроизведение характерных высокоорганизованных структур, которые совершенствуются в ходе эволюции и осуществляются в соответствии с внутренней программой благодаря внешним источникам веществ и энергии. Вопрос «что есть жизнь?» не имеет однозначного ответа. Давать определение живым системам можно на основании их характерного состава или особенностей функционирования.
Биосистемы и их свойства
Биология изучает различные живые системы — биосистемы. Слово «система» — одно из важнейших в современной науке.
Система — целое, состоящее из взаимосвязанных частей. Некоторые из свойств систем присущи только им и возникают при взаимодействии их частей. Такие свойства можно назвать целостными свойствами систем (иначе — эмергентными или эмерджентными). Никакую молекулу саму по себе нельзя считать живой, а клетка, состоящая из молекул, — живая. Иногда свойства целого противоположны свойствам элементов системы. Так. популяция, состоящая из смертных организмов, потенциально бессмертна.
Одной из характерных особенностей живых систем (биосистем) является иерархическая организация. Например, организм является сложной системой и сам входит в состав систем более высокого уровня (популяции и т. д.). Основанием для выделения уровня организации живых систем является наличие у систем этого уровня эмергентных свойств, отсутствующих на низших уровнях.
Универсальный перечень уровней организации биосистем составить невозможно. Но в зависимости от биосистемы и с точки зрения ее изучения можно выделить разное количество уровней в связи с возникновением важных свойств.
Молекулярный уровень. Представлен различными неорганическими (вода и минеральные вещества) и органическими (липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и др.) веществами. Этот уровень организации наименее специфичен: одни и те же вещества входят в состав различных организмов.
Клеточный уровень. Клетка — основная единица структуры и функции живых организмов, это простейшая система, для которой характерен феномен жизни во всей его полноте.
Органно-тканевый уровень. Составные части сложного организма — ткани, органы, системы органов. В зависимости от особенностей изучения той или иной системы этот уровень можно рассматривать как единый или разделять на несколько уровней, например: тканевый, органный, уровень систем органов, функциональных систем.
Организменный уровень. Отдельное живое существо, которое относительно самостоятельно взаимодействует со средой своего обитания. Организм, обладая относительно независимой судьбой, является единицей отбора, и обычно выживает или погибает как единое целое. Именно на этом уровне взаимодействуют различные системы органов и функциональные системы.
Популяционно-видовой уровень. Группы особей одного вида, которые воспроизводятся и населяют определенные местообитания. Популяции образуют группы, между которыми, в типичном случае, возможны миграции особей. Высшая биосистема популяционного уровня — вид.
Экосистемный (биогеоценотический) уровень. Совокупность организмов разных видов и царств во взаимосвязи с факторами среды их обитания.
Биосферный уровень. Оболочка Земли, развивающаяся под действием живых организмов.
Примеры целостных свойств некоторых уровней организации биологических систем приведены в таблице.
Уровень | Примеры | Признаки целостности |
Молекулярный | Молекула белка | Имеет характерную конформацию, способна к выполнению определенных функций в клетке |
Клеточный | Клетка | Имеет основные свойства живых систем: способна к обмену веществ, размножению и т. д. У одноклеточных имеет свойства организма, у многоклеточных предназначена для выполнения определенных функций |
Органно-тканевой | Нейронная сеть | Управляет жизнедеятельностью клеток (делением, обменом веществ, функциональной активностью). Способна к обработке информации и выполнению определенных кибернетических функций |
Организменный | Особь | Является единицей естественного отбора (как целое погибает или выживает и размножается). Обладает индивидуальностью, проявляющейся в ходе онтогенеза |
Популяционно-видовой | Популяция раздельнополых организмов | Потенциально бессмертна, способна к эволюции. Характеризуется определенной половозрастной, пространственной, генетической, иерархической структурой |
Экосистемный (биогеоценотический) | Экосистема (биогеоценоз) | Способна к развитию, осуществляет частично замкнутый круговорот веществ |
Биосферный | Биосфера | Осуществляет замкнутые биогеохимические циклы (в т. ч. обмен веществом с космосом и земными недрами). Регулирует некоторые свойства. Способна к биосферной эволюции |
Несмотря на специфичность биосистем разных уровней, можно выделить ряд общих для них свойств:
• определенный состав и упорядоченность. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая поддерживается только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем выше молекулярного уровня входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза — в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда;
• иерархичность орденизации. Как уже сказано, жизнь проявляет себя одновременно на многих уровнях организации, каждая из которых имеет свои особенности;
• обмен веществ — важнейшая особенность функционирования биосистем. Это совокупность происходящих в них химических превращений и перемещений веществ. На клеточном и организменном уровнях обмен веществ связан с питанием, газообменом и выделением, а, например, на экосистемном — с круговоротом веществ и их перемещением между различными экосистемами;
• поток энергии через биосистемы тесно связан с обменом веществ. Благодаря тому, что атомы вещества в ходе преобразований не меняются, вещество может осуществлять круговорот в живых системах. Энергия при преобразованиях частично рассеивается (переходит в форму тепла), и поэтому живые системы существуют только в условиях потока энергии из внешнего источника, проходящего через них. Для биосферы в целом таким источником энергии является Солнце;
• способность к развитию. Все биосистемы возникают и совершенствуются в ходе эволюции. Эволюция на молекулярном уровне привела к возникновению организмов, эволюция популяций приводит к изменению характерных свойств организмов и систем в их составе т. д. Развитие отдельного организма называется онтогенезом, эволюционная история вида — филогенезом, развитие различных сообществ организмов на одном участке территории — сукцессией;
• приспособляемость — соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособляемость не может быть достигнута раз и навсегда, поскольку среда непрерывно меняется. Поэтому все живые системы способны влиять на изменения среды и приспосабливаться ко многим из них. Результатом способности живых систем к приспособляемости являются поражающие воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочное приспособление биосистем осуществляется благодаря их эволюции. Краткосрочное приспособление клеток и организмов обеспечивается их раздражимостью — свойством реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом влияют на изменения и биосистемы всех других уровней, а это позволяет утверждать, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой;
• саморегуляция. Биосистемы находятся в состоянии постоянного обмена веществами, энергией и информацией с окружающей средой. Например, клетки и организмы благодаря саморегуляции поддерживают постоянство своей внутренней среды (гомеостаз), а экосистемы (биогеоценозы) поддерживают свой видовой состав и определенные свойства неживой среды;
• динамичность. Каждая биосистема, начиная с клеточного уровня, является не столько структурой, сколько процессом. Так, клетка остается сама собой, несмотря на то, что в результате обмена веществ изменяются вещества, ее образующие; популяция существует, несмотря на то, что погибают и рождаются особи в ее составе. Для клеток и организмов характерным проявлением динамичности является подвижность — способность к изменениям положения и формы самой системы и ее частей;
• целостность — необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы целостных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. Так, клетка и организм — относительно более целостные биосистемы, чем экосистема. Это проявляется в том, что состав частей клетки и организма менее изменчив, чем состав экосистемы. На экосистемном и биосферном уровнях в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (впрочем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут входить и в состав организмов, а также биосистем других уровней);
• уникальность. Все биосистемы, начиная с клеточного уровня, неповторимы и отличаются от аналогичных систем. Некоторые имеют идентичную наследственную информацию организма (однояйцевые близнецы, клоны и т. д.). другие же неповторимо индивидуальны, все это зависит от бесконечно разнообразных особенностей влияния среды и саморегуляции в ходе развития;
• способность к воспроизводству биосистем обеспечивает устойчивость жизни во времени. Биомолекулы синтезируются клеткой; клетки (а также некоторые структуры эукариотической клетки) воспроизводятся путем деления. На организменном уровне воспроизведение обеспечивается благодаря размножению. Преемственность поколений на организменном (а также на клеточном) уровне обеспечивается наследственностью, а возможность эволюции — изменчивостью. Воспроизводство популяций, биогеоценозов (а возможно, и биосферы) обеспечивается не только размножением организмов, но и благодаря их способности к расселению.
Уровни организации живого:
1 — клеточный; 2 — тканевой; 3 — органный; 4 — систем органов; 5 — организменный