Курсовая работа: Общие свойства живых систем
Антиэнтропичность живых систем непосредственно связана именно с их упорядоченностью и проявляется в том, что свойственный им уровень энтропии ниже возможного максимума, соответствующего термодинамически равновесному состоянию системы. Поддержание такого состояния, когда уровень энтропии системы отличается от максимума, возможно в двух случаях:
при положительном энергобалансе системы, когда потребляемая ею из окружающей среды энергия больше выделяемой, что, в частности, соответствует метаболически активному состоянию живой системы; в плане общей теории систем это состояние должно быть определено как состояние открытой системы;
при отсутствии такого положительного энергобаланса, если система способна сохранять определенный, отличный от максимума, уровень энтропии только за счет своих структурных антиэнтропических свойств, препятствующих увеличению энтропии при отсутствии активно осуществляемого организмом материального обмена с окружающей средой, что, в частности, соответствует метаболически неактивному состоянию живой системы, т. е. состоянию полного анабиоза; с позиций общей теории систем такое состояние отвечает состоянию закрытой системы.
Оба эти состояния, в частности структурные антиэнтропические свойства закрытых живых систем. Важно подчеркнуть, что антиэнтропичность не есть какое-то самостоятельное свойство живых систем; она представляет собою лишь следствие реально существующей высокой упорядоченности этих систем.
4. Высокая функционально-структурная сложность
Общим свойством всех живых систем, независимо от общего уровня их организации, является их высокая функционально-структурная сложность.
При сколь угодно простой макроорганизации живые системы неизменно остаются высокосложными за счет своей специфической микроорганизации: при любой сложности макроорганизации живой системы ее интегральная сложность всегда определяется ее микроорганизацией на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Принимая во внимание все информационные, энергетические и материальные аспекты молекулярной и субмолекулярной организации живых систем, следует признать, что преобладание этой молекулярной составляющей в интегральной сложности живой системы в любом случае столь значительно, что совокупность всех ее остальных, т.е. надмолекулярных, компонентов, бесспорно, имеет лишь подчиненное значение. В этом смысле можно сказать, что по степени суммарной сложности шимпанзе меньше отличается от вируса табачной мозаики, чем молекулярная организация шимпанзе от ее надмолекулярной организации.
Основанием для такого заключения служат общеизвестные истины молекулярной биологии. Представление о степени информационной и функционально-структурной сложности живых систем на молекулярном уровне дают хотя бы общеизвестные особенности генетического кода организмов. Достаточно напомнить, например, что один ген, обеспечивающий кодирование только одного полипептида, содержит примерно 1,5 X. X 103 нуклеотидных пар в ДНК, а палиндромные последовательности в ДНК эукариот, представляющие собою области узнавания для рестриктаз, содержат до 1,2 • 103 нуклеотидных пар. В свете подобных цифр, число которых можно было бы увеличить, высокая информационная и функционально-структурная сложность молекулярной организации живых систем представляется достаточно очевидной.
Естественно, что пример с шимпанзе не претендует на абсолютную точность; однако он, несомненно, верно отражает нашу общую мысль о решающей роли молекулярных особенностей в определении общего интегрального уровня сложности живой системы. Это, разумеется не дает нам права сбрасывать со счетов элементы сложности надмолекулярных уровней; суть дела состоит лишь в том, что совокупность этих надмолекулярных элементов по своему относительному значению в суммарном выражении сложности живой системы любого ранга явно уступает молекулярной составляющей.
Такое положение вполне соответствует тому факту, что все происходящие в организмах важнейшие жизненные процессы, связанные с изменениями информационных, энергетических и материальных состояний живой системы, структурно обеспечены на молекулярном и субмолекулярном уровнях. Именно это обстоятельство делает возможным, в частности, существование неклеточных живых систем, т. е. вирусов, у которых вся функционально-структурная организация ограничена уровнем макромолекул и сравнительно несложных надмолекулярных агрегатов. В этом одно из важнейших свидетельств особой весомости молекулярного уровня в многоуровневой целостной конструкции живых систем любой сложности.
Высокая сложность живых систем, основанная на их упорядоченной, строго иерархической функционально-структурной организации, в сочетании с программным управлением всеми протекающими в рамках системы процессами информационного, энергетического и материального плана, и создает ту глубокую специфику живых систем, которая поднимает их на более высокий, качественно новый уровень организации, принципиально отличающий их от объектов неживой природы.
Принимая во внимание все сказанное, мы можем заметить, что с принципиальной стороны жизнь как общее явление во Вселенной представляет собою феномен скорее кибернетического, чем субстратного плана. В конечном итоге не белки и не нуклеиновые кислоты как конкретные полимерные субстраты, а прежде всего их свойства как накопителей и преобразователей информации явились необходимой основой формирования антиэнтропических самоповторяющихся и эволюционирующих, т. е. живых, систем: при наличии этих информационных свойств на какой-либо иной субстратной основе явление жизни в принципе могло бы развиться с таким же успехом.
Понятие живой системы относится к объектам весьма различного уровня сложности. Содержание этого понятия может быть определено лишь в терминах биокибернетики и в соответствии с идеей системной организации, на основе учета некоторых общих принципов функционирования живых систем, в частности в аспектах связей, контроля и управления. В соответствии с этим в общем определении живой системы не могут найти отражения конкретно-биологические особенности, характеризующие специфику тех или иных частных систем любого уровня: такие особенности могут быть учтены лишь в определениях живых систем конкретного уровня сложности, например в определении открытой и закрытой живых систем.
Принимая во внимание большое разнообразие уровней организации известных в настоящее время живых систем и существующие между ними различия в формах их связей с окружающей их средой, общее определение живой системы можно сформулировать в следующем виде.
Живая система — иерархически организованная сложная система, имеющая собственную программу развития, реализация которой обеспечивает сохранение системы на основе поддержания в ней определенного, отличного, от максимума уровня энтропии. Это определение подчеркивает, таким образом, все три основные особенности живой системы.
Биологи, несомненно, обратили внимание на то, что в приведенном выше определении живой системы отсутствуют указания на традиционно выделяемые свойства живого. Это объясняется тем, что эти «традиционные» свойства в большинстве своем могут относиться не ко всем, а только к открытым живым системам, с которыми их и было принято связывать. Иначе говоря, прежние определения живого, содержащие эти «традиционные» элементы, оставляли за пределами живого закрытые живые системы, соответствующие состоянию полного анабиоза. Естественно, что наше общее определение, относящееся ко всем без исключения живым системам, не может содержать в себе элементы, приемлемые только для открытых систем.
Как видно из приведенного определения, оно не содержит указания на нуклеиново-белковый характер субстратов живых систем. Это обусловлено тем фактом, что все три свойственные живым системам особенности принципиально могут быть реализованы не только на основе нуклеиново-белковых субстратов, но и на иной химической основе, в связи с чем этот нуклеиново-белковый вариант организации живой системы не может найти отражения в ее общем определении.
Попытки обосновать общее определение живой системы исходя из нуклеиново-белковой природы земной жизни закономерно приводят к ограничительному толкованию этого понятия. Одним из примеров такого подхода может служить хотя бы следующее определение: «Живыми называются такие системы, которые обладают нуклеиновыми кислотами и белками и способны сами синтезировать эти вещества. Это определение неприложимо к древнейшим ступеням возникновения жизни, а также к существующим, возможно, внеземным живым системам, которые могут быть устроены иначе». Как видно из этого текста, подобное определение требует немедленных оговорок по поводу ограниченности сферы его применения. Кроме уже содержащихся в этом тексте ограничений, авторам вышеприведенного определения приходится считать, что вирусы — это объекты, «состоящие из нуклеиновых кислот и белков, но не являющиеся живыми», что противоречит их же собственному определению живой системы. Таким образом, попытки определения живой системы на основе констатации нуклеиново-белковой природы земных организмов исходят из предпосылок частного характера, т.е. страдают геоцентризмом и в этом смысле отражают пройденный этап развития биологии.
Наше определение не содержит также и упоминания р метаболической деятельности живых систем, поскольку она не свойственна закрытым живым системам.
Далее, в нашем определении ничего не сказано о способности живых систем к самовоспроизведению. Это связано с тем, что не все живые системы являются самовоспроизводящимися. Достаточно вспомнить многие бесплодные касты насекомых, например рабочих пчел и термитов и т.п.: все они представляют собою примеры несамовоспроизводящихся живых систем. То же можно сказать и о многих живых системах надорганизмеииого уровня, к которым понятие «самовоспроизведения» неприменимо, каковы, в частности, временные, миграционные стаи многих животных — различных рыб, птиц и др.
Наше определение не содержит и указаний на способность живых систем к эволюции, поскольку эволюционировать способны не все, а только метаболически активные самовоспроизводящиеся живые системы. Что же касается закрытых живых систем, представленных организмами, находящимися в состоянии полного анабиоза, то они не способны ни к самовоспроизводству, ни к эволюции, поскольку существуют в форме нефункционирующей структурной системы организма. Эволюционное развитие адаптации, обеспечивающих биологическую допустимость анабиотических состояний, происходит лишь за счет тех или иных генетических изменений, возникающих в метаболически активных фазах онтогенеза, тогда как в состоянии полного анабиоза, когда живая система является закрытой, она способна лишь испытывать элиминирующее действие естественного отбора под влиянием определенных агрессивных факторов среды. Однако направление этой элиминации всецело обусловлено развитием организма в метаболически активных фазах онтогенеза. Иначе говоря, процесс эволюции как таковой всегда ограничен периодами метаболически активной жизни, т. е. свойствен не всем, а только метаболически активным живым системам.
На основе общего определения живой системы открытая и закрытая живые системы могут быть определены следующим образом.
Открытая живая система — метаболически активная живая система, существующая на основе постоянного, активно осуществляемого обмена веществом и энергией с окружающей ее внешней средой, в ходе которого, в соответствии с программой развития системы, обеспечиваются ее сохранение и самовоспроизведение и создаются предпосылки к ее адаптивной эволюции.
Закрытая живая система — метаболически неактивная живая система, не осуществляющая обмена веществом с окружающей ее внешней средой и существующая в форме комплекса нефункционирующих жизнеспособных структур.
5. Периодический закон развития живых систем
В ходе биологической эволюции уровень функционально-структурной сложности живых систем изменяется двояким путем:
1) на дискретной основе, благодаря периодической агрегации доорганизменных или организменных систем в системы более высокого уровня структурной сложности. При этом структурная сложность систем увеличивается сразу на порядок: исходные системы в результате акта агрегации становятся подсистемами новой системы более высокого уровня структурной сложности. Именно таким путем происходило становление монобионтов, метабионтов и ценометабионтов;
2) путем медленных, постепенных изменений тех или иных элементов системы, в ходе которых новое качество накапливается в рамках определенного уровня структурной агрегации — монобионтного, метабионтного» или ценометабионтного. Так происходит адаптивная эволюция монобион-тов, метабионтов и ценометабионтов.
Целостная картина развития земной жизни представляет собою сочетание обоих этих путей и рисуется как сложный мультициклический процесс, подчиненный некоторому периодическому закону и состоящий в смене повторяющихся циклов, каждый из которых отличается от предыдущего более высоким уровнем структурной агрегации живой системы. В соответствии с этим выделяются три эры развития жизни на нашей планете, качественно различные по агрегатной структуре организмов: 1) монобионтная, в течение которой живые существа были представлены только монобионтами; 2) монометабионтная, в течение которой организмы были представлены монобионтами и метабионтами; 3) моно-мета-ценоме-табионтная, характеризующаяся присутствием в земной биоте одновременно всех трех структурно различных групп организмов — монобионтов, метабионтов и ценометабионтов — и продолжающаяся до настоящего времени.
Таким образом, в историческом развитии жизни на Земле происходили определенные периодические процессы, связанные с закономерной, циклической структурной агрегацией живых систем, составлявшей основу их адаптивного функционально-структурного усложнения. Эти периодические процессы могут быть описаны в виде периодического закона развития живых систем, сущность которого можно сформулировать следующим образом: эволюция организмов происходит на основе их периодической структурной агрегации, в ходе которой исходные доорганизменные или организменные системы становятся подсистемами новой организменной системы, более высокого структурного уровня.
Периодический закон развития живых системотражает, следовательно, одну из наиболее общих особенностей их исторического развития — неравномерность и цикличность их эволюции.