Курсовая работа: Общие свойства живых систем
При всем своем многоплановом разнообразии живые системы имеют некоторые, хотя и немногочисленные, но неотъемлемые общие особенности, определяемые фундаментальными общими свойствами живого. Таких особенностей три: 1) наличие собственной программы развития системы, развертываемой на основе активно регулируемых информационных взаимосвязей ее с внешней средой, 2) иерархическая функционально-структурная организация и 3) высокая функционально-структурная сложность.
Наличие собственной программы развития — основополагающее свойство всех живых систем, поскольку оно определяет их главную общую черту — иерархическую функционально-структурную организацию, которая представляет собою высшую форму упорядоченности системы и служит источником ее антиэнтропичности. Именно иерархическая организация живых систем позволяет им достигать той характерной для них высокой функционально-структурной сложности, особенно на молекулярном уровне, которая и создает специфику живого на основе развития функционально необходимых внутренних информационных, материальных и энергетических связей живой системы и ее разносторонних контактов с внешней средой. Поэтому любое усложнение живой системы в итоге ведет к более разветвленной иерархии в ее целостной функционально-структурной организации. Оба эти процесса — общее усложнение системы и прогрессивное развитие иерархического характера ее организации — происходит на основе соответствующего усложнения собственной программы развития системы. В схематическом виде основные связи живой системы показаны на рис. 1.
 |
??? 1
2. Наличие собственной программы развития системы и способность к активному оперированию информацией
Всем живым системам любого уровня сложности, как организменным„ так и надорганизменным, совершенно независимо от их функционально-структурных особенностей, элементарной основы и всех других качеств, свойственно наличие определенной собственной программы развития, реализация которой обеспечивает сохранение системы в меняющихся условиях внешней среды.
Наличие собственной программы развития — важнейшая особенность живых систем,определяющая все их другие специфические свойства.
В зависимости от уровня функциональной организации живой системы собственная программа ее развития существенно изменяется по своей структуре, сложности и степени централизации. В связи с этим значительные различия существуют между собственными программами развития организменных и надорганизменных систем.
У организмов собственная программа развития имеет в своей основе генетическую программу, материализованную на молекулярном уровне в виде генома. Генетическая программа содержит конкретную генетическую информацию, необходимую для обеспечения онтогенетического развития организменной системы и ее самовоспроизведения в цикле развития вида. Эта программа в своей основе имеет: 1) закономерности кодирования, транскрипции и трансляции генетической информации; 2) закономерности репликации и сегрегации генетического материала; 3) закономерности самосборки первичных биологических структур, т. е. совокупности сложных биополимеров — нуклеиновых кислот и белков, взаимодействие между которыми обеспечивает возможность саморегуляции живых систем организменного уровня.
Собственная программа развития организма всегда является централизованной, однако формы и степень этой централизации различны в зависимости от уровня структурной агрегации организменной системы. Монобионтная программа развития всегда централизована на генетическом уровне, т.е.построена по принципу генетического моноцентризма; метабионтная программа лишена генетического моноцентризма и централизована уже на уровне межклеточных взаимодействий; а централизация ценометабионтной программы осуществляется на уровне взаимодействий многоклеточных суборганизменных структурных блоков, имеющих ранг метабионтов. Таким образом, с повышением уровня структурной агрегации организменной системы уровень централизации ее собственной программы развития закономерно удаляется от молекулярного уровня материализации генетической программы. Только у монобионтов эти уровни совпадают и генетическая программа представляет собою единственный элемент собственной программы развития организма, которая вследствие этого является генетически моноцентричной. В метабионтных и ценометабионтных организменных системах этот моноцентризм генетической программы сохраняется только на своем прежнем, монобионтном уровне, т.е. на уровне клетки.
Централизация собственной программы развития— важнейшая особенность информационной структуры организменных живых систем. Эта особенность, связанная с функционально-структурной целостностью и неделимостью организма, принципиально отличает любые организменные системы от надорганизменных.
В надорганизменных живых системах подобная централизованная программа развития отсутствует. Собственная программа развития надорганизменной системы формируется как интегральный результат взаимодействия некоторого множества ее централизованных подпрограмм, т.е. собственных программ развития тех организмов, которые образуют данную надорганизменную систему. Этот интегральный генофонд надорганиз-менной системы в конечном итоге образует столь же определенную программу ее развития на основе тех же принципов самовоспроизведения и саморегуляции, что и в случае отдельных организмов.
Способность к активному оперированию информациейстоль же специфична для живых систем, как и само наличие собственной программы развития. Все биологические процессы связаны с той или иной формой активного оперирования с информацией и могут осуществляться лишь на основе постоянного поддержания в живой системе строго определенных параметров информационных потоков.
Говоря об активном оперировании информацией, мы хотели бы обратить внимание на тот факт, что неживые системы способны только к пассивному информационному обмену с окружающей их средой, который не включает в себя регулирование информационных потоков и специальную обработку поступающей в систему информации. Для живых систем характерно, напротив, 1) постоянное активное регулирование параметров двусторонних информационных потоков, связывающих систему с внешней средой, и 2) постоянная обработка, накопление и хранение поступающей в систему информации, что составляет необходимое условие реализации собственной программы развития живой системы.
Таким образом, развертывание собственной программы развития живой системы состоит в постоянном оперировании информацией,без чего эта программа не может быть реализована. Как некоторый конечный по объему комплекс информации собственная программа развития сама по себе еще не является достаточной для управления всей совокупностью жизненных процессов, осуществляемых живой системой. Информационный комплекс программы может быть приведен в действие лишь на основе постоянного притока информации извне, т. е. во взаимодействии с информационным полем окружающей среды, что представляет собою один из аспектов взаимосвязи живой системы с окружающей средой.
Информационный баланс живой системы всегда является положительным.Это правило не имеет исключений и составляет основу понимания жизни как процесса, связанного с уменьшением энтропии в живых системах при одновременном возрастании ее в окружающей их среде. Антиэнтропичность живых систем выражается, в частности, в их роли как концентраторов информации, своеобразных «информационных сгустков».
Способность живых систем к концентрированию информацииобусловлена их иерархической структурой и их высокой функционально-структурной сложностью.
Наличие собственной программы развития — изначальное свойство живых систем.Именно возникновение программы развития, представляющей собою необходимое условие самоповторения системы, привело к появлению организмов как относительно стабильных в качественном отношении дискретных единиц живого и явилось исходным пунктом собственно биологической эволюции. В этом смысле эволюция организмов есть эволюция их собственных программ развития.
Пространственно-временная дискретность живого, находящая свое выражение в существовании организмов, предъявляет весьма жесткие требования к структуре и качеству информационного потока как в рамках онтогенеза, где этот поток определяет все элементы функционально-структурной специфики развивающейся организменной системы и порядок выражения отдельных морфопоэтических факторов, так и в филогенетическом, эволюционном плане, где от упорядоченности информационного потока зависит точность передачи всех свойств живой системы в чреде поколений и, соответственно, мера преемственности результатов эволюционного процесса. Эти строго определенные параметры информационного потока, создающего достаточную основу для управления процессами онтогенеза и филогенеза, и обеспечиваются конкретной пограммой развития, содержащейся в материализованной форме в живых системах организмен-ного уровня. Естественно поэтому, что без собственной программы развития были бы невозможны ни самовоспроизводство живых систем, ни их эволюция.
В необозримом многообразии живых систем можно различать разные уровни сложности собственной программы развития системы и различные формы записи ее элементов, но это — уже второстепенные детали. Главное и общее состоит в том, что собственная программа развития свойственна всем живым системам и всегда функционирует во взаимосвязи с информационным полем окружающей среды, причем живая система непрерывно потребляет информацию извне и активно оперирует ею. Заметим, что под оперированием информацией следует понимать не только традиционно включаемые в это понятие действия органов чувств или обмен химическими сигналами внутри организма, но также и усвоение различных веществ в процессе питания или акцептора электронов впроцессе дыхания. Действительно, в этом смысле вряд ли можно видеть принципиальную разницу между усвоением молекул любого вещества в кишечнике и восприятием мышечной клеткой медиатора, выделяемого аксоном в синаптическую щель. В обоих случаях происходит усвоение информации, содержащейся в структуре конкретной молекулы, только в первом случае эта информация подвергается организмом длительной переработке, тогда как во втором — анализ ее совершается в доли секунды.
3. Иерархическая функционально-структурная организация
Все живые системы отличаются высокой упорядоченностью,которая проявляется в их целостной, иерархической функционально-структурной организации и находит свое выражение во взаимообусловленности всех отдельных элементов системы и их подчиненности ее общему функционально-структурному плану. И хотя эта иерархичность организации составляет общее свойство любых систем, в случае живых систем она приобретает совершенно особое значение,поскольку специфика этих систем создается благодаря их чрезвычайно высокой функционально-структурной сложности, которая требует исключительно тонкого согласования всех подсистем в пределах системы при весьма динамичном управлении всей многогранной совокупностью одновременно происходящих процессов, связанных с развитием этих подсистем.
Поэтому обеспечение экологически целесообразного интегрального результата деятельности живой системы, необходимого для ее сохранения и адаптивного развития, в любом случае возможно только на основе ее строго иерархической общей организации, при которой задача управления системой принципиально упрощается за счет того, что отдельные элементы этой сложной задачи могут решаться автономно и последовательно на отдельных иерархически соподчиненных уровнях системы. Только на основе этой иерархии процессов и структур в живой системе и становится возможным как фактически существующее в ней полное взаимосоответствие внутренних потоков информации, энергии и вещества, так и экологически целесообразное развитие ее информационных, энергетических и материальных связей с внешней средой. Иначе говоря, саморегуляция системы подобного уровня сложности может осуществляться только на основе ее строго иерархической, целостной организации.
Иерархическая структура как высшая форма упорядоченностисвойственна живым системам на всех уровнях организации, начиная с субмолекулярного уровня.
На субмолекулярном и молекулярном уровнях примерами иерархической организации живых систем могут служить любые биологические макромолекулы, и прежде всего гигантские молекулы нуклеиновых кислот и белков с их сложными, разноуровневыми эволюционно обусловленными субъединицами, архитектура которых непосредственно определена многогранными совокупностями внутримолекулярных связей различной природы. Не повторяя общеизвестных истин химии нуклеиновых кислот и белков, напомним лишь, что они организованы именно на основе жесткой многоуровневой функционально-структурной иерархии определенных элементарных блоков разной сложности. В этой связи рассмотрим несколько подробнее только один пример — структурную организацию глобулярных белков.
Пространственная структура глобулярного белка представляет собою результат сложной многоуровневой иерархической организации первичных компонентов — аминокислот, причем в первичной структуре, т. е. «в аминокислотной последовательности заключена полная информация... Поэтому между всеми уровнями имеется взаимосвязь, так что элементы более низких уровней определяют элементы более высоких уровней».
Первый структурный уровень, или 'первичная структура белка, представляет собою последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, связанных между собою ковалентными связями. Второй структурный уровень, или вторичная структура белка,— это упорядоченное, энергетически предпочтительное спиральное или зигзагообразное расположение полипептидных цепей, стабилизированное за счет водородных связей. Третий структурный уровень, или третичная структура белка, определяет способ укладки полипептидной цепи с образованием очень компактной, плотно упакованной структуры — глобулы. Третичная, структура стабилизирована связями разнообразной природы. Четвертый структурный уровень, или четвертичная структура белка, представляет собою функционально целостные макроагрегаты из двух или большего числа полипептидных цепей — протомеров, т. е. так называемый олигомерный белок.
Важно подчеркнуть, что «в аминокислотной последовательности полипептидной цепи олигомерного белка закодирована информация не только о его третичной структуре, но также и о геометрической форме контактных участков, с которыми соединяются контактные участки других специфических протомеров. Таким образом, информация, содержащаяся в аминокислотной последовательности, может реализоваться на нескольких уровнях структурной организации — вторичном, третичном и четвертичном». Это ясно указывает на иерархический характер организации белка.
Общим для белка «свойством, проявляющимся на всех уровнях организации выше аминокислотного, является симметрия... Наличие сим^ метрии и иерархии уровней белковых структур позволяет более ясно представить некоторые аспекты сложнейшей проблемы пространственной организации белковых молекул».
На надмолекулярном суборганизменном уровнеиерархичность организации живых систем общеизвестна и достаточно демонстративна: все названные структуры представляют собою конкретные подсистемы организма и как таковые принципиально возможны только в рамках целостной функционально-структурной системы организменного уровня.
На организменном уровнеиерархичность организации столь же очевидна, как и на суборганизменных уровнях: иерархическая соподчиненность всех функционально-структурных элементов организма составляет одну из его главных особенностей и характеризует его как неделимую единицу жизни.
На надорганизменном уровне иерархическая организация живых систем имеет место всегда, хотя в разных случаях может быть выражена в различной степени.
В структурно неупорядоченных временных надорганизменных системах эта иерархия может проявляться относительно слабо, примером чего могут служить хотя бы миграционные стаи мелких птиц, в частности многих воробьинообразных. Стая скворцов не является структурно упорядоченной в том смысле, что расположение птиц относительно друг друга в ней не подчиняется какому-либо твердому закону. В то же время поведение каждой птицы в летящей стае подчинено поведению стаи, в чем проявляется иерархическая, системная структура стаи.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--