Особенности самоорганизации и информационного обмена в живых системах

Выше мы дали определение понятию «жизнь», в котором отражено такое свойство живых систем как открытость, проявляющаяся в непрерывном обмене веществом и энергией с внешней средой. На основе такого обмена в организме реализуется механизм самоуправления и самоорганизации. Это обеспечивает выработку самим организмом реакций, направленных на его максимальное приспособление к изменяющимся условиям. При этом под самоорганизацией будем понимать процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне.

Самоорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей между её элементами. Самоуправление в живых системах и цели, которые оно преследует, имеют многоуровневый характер, а между уровнями существует иерархия (см. тему 3). Цель первого порядка — обеспечить существование системы. Она достигается поддержанием неравновесного стационарного состояния. Далее цель второго порядка — поддержание постоянства параметров внутренней среды — гомеостаз. Гомеостаз является необходимым условием высокого качества функционирования системы. Цель третьего порядка — достижение оптимальных в данных условиях показателей существования живой системы, в частности максимальной энергетической эффективности и надёжности её функционирования.

Важнейшим информационным аспектом в функционировании живых систем является наличие в них т.н. обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации. Положительные обратные связи осуществляют такой тип регулирования, который уводит состояние живой системы от первоначального, и играет роль «усилителей» процессов жизнедеятельности.

Например, если бы такого рода связь существует между неограниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида животных и их численностью, то это привело бы к постоянному росту численности данного вида.

Отрицательные обратные связи, наоборот, служат для поддержания стабильной ситуации в живой системе. Например, они обеспечивают оптимальную численность популяций в биоценозе, стабильную температуру организма и.т.д.

Информационные связи в организме осуществляются по нескольким каналам. Гормональная связь носит химический характер. Гормон — химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стимулятора определённых процессов в организме; с кровотоком поступает во все отделы организма, но действует избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волокнам информационных импульсов, подключающих необходимые органы к переработке и восприятию информации. Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяционно-видовом уровне и осуществляется посредством генов.

Контрольные вопросы.

1. Какие основные концепции происхождения жизни на Земле вам известны?

2. В чём состоит принцип Реди?

3. Какая из концепций происхождения жизни на Земле является общепринятой в естествознании?

4. Опишите в рамках концепции биохимической эволюции переход от неживого к живому?

5. Что такое «молекулярная хиральность»?

6. Какие признаки (свойства) живых систем вам известны?

7. Дайте определение понятию «жизнь»?

8. В чём заключается особенность самоорганизации в живых системах?

9. Каким образом происходит информационный обмен в живых системах?

 

Тема 11: «Эволюция жизни»

План.

1. Структурные уровни живого.

2. Научные факты, обосновывающие эволюционность живого.

3. Принципы биологической эволюции.

4. Эволюция биосферы и космические циклы.

 

На прошлой лекции мы с вами уяснили основные концепции происхождения жизни на Земле. Мы узнали, что вопрос возникновения жизни на нашей планете относится к нерешённым вопросам естествознания. Однако, кое в чём учёные сходятся: жизнь зародилась в воде, первые живые организмы были самыми примитивными и совершенствовались они очень медленно. В какой-то момент один из таких организмов обволокла тонкая мембрана — так появились «первоклетки» — прокариоты. Постепенно способности клеток умножались. Сначала они научились производить кислород из углекислого газа в результате процесса фотосинтеза. Потом некоторые клетки научились прятать наследственное вещество в особое клеточное ядро — т.н. ядерные клетки — эукариоты. Потом эти сложные клетки эукариоты научились размножаться делением и создали впоследствии клеточные колонии. Из таких колоний и развились многоклеточные организмы: растения, животные и, наконец, человек. Природе понадобилось почти 4 млрд. лет, чтобы из простейших элементов жизни сотворить человека. И произошло это в ходе эволюции.

Структурные уровни живого

Живой материи присуща своя иерархия структурных уровней (см. тему 3). Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчинённости структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования.

Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.

Молекулярно-генетический уровень. Этот уровень организации материи, на котором происходит скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.

Сюда относят белки — органические соединения, входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре мономеров – аминокислот. Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул и многообразие их свойств. В состав белка входят 20 аминокислот-мономеров.

Сюда же относят и вещества, выделенные из ядра клетки и обладающие свойствами кислот и названных нуклеиновыми (т.е.ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращённое название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой — ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Доказано, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки — хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информиацию об одном из набора белков организма, называют геном.

Клеточный уровень. Любой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной клетки (бактерии, амёбы). Т.о клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов.

Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми процессами в клетке управляет особая структура, состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот, как правило, находящаяся в её ядре.

Следует отметить, что к миру живого относят также и вирусы — мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Хотя вирусы не имеют клеточной структуры, они способны её воспроизводить, внедряясь в среду других клеток.

Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образуют живую ткань. В человеческом теле всего четыре типа тканей: костная, соединительная, эпителиальная и мышечная. Из тканей состоят различные органы живой системы.

Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. На этом структурном уровне проявляется большое разнообразие живых систем.

Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция — это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, точно также как и вид, состоящий обычно их нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс, о чём мы подробно поговорим далее.

Биоценотический уровень образован биоценозами — исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли.

Откуда же взялось такое многообразие живого? На сегодняшний день естествознание даёт однозначный ответ — такое многообразие живого на Земле является следствием биологической эволюции. Изучим историю вопроса, а начнём с научных фактов, обосновывающих эволюционность живого.

2. Научные факты, обосновывающие эволюционность живого.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что все виды организмов были созданы Творцом однажды, в нынешних формах и больше не изменялись (см. тему 10). Именно под влиянием религиозной идеи о неизменяемости всего живого, биология долгое время сводилась лишь к описанию многочисленных видов животных и растений. Но достижения эпохи Возрождения способствовали формированию новых представлений об изменчивости мира и о возможности исторического изменения видов — т.н. трансформизм (от лат transformare — преобразовывать). Сторонниками этого мировоззрения были многие прогрессивные учёные того времени, такие как Роберт Гук, Дени Дидро, Жорж Луи Леклерк Бюффон, Эразм Дарвин. Они признавали изменяемость видов под действием окружающей среды.

Термин «эволюция» (от лат. evolutio — развёртывание) был впервые введён швейцарским учёным Боннэ в 1762 г. Автором первой теории эволюции был Жан Батист Ламарк. Затем Чарльз Дарвин в своём знаменитом труде «Происхождение видов путём естественного отбора» (1859г.) изложил разработанную им эволюционную теорию.

Эволюционность живой природы подтверждается следующим:

Ø Объектами изучения палеонтологии являются любые сохранившиеся в геологических породах следы древней жизни. Например, фрагменты тел древних животных, найденных в вечной мерзлоте, отпечатки древних растений в каменноугольных образцах, насекомые, замурованные в янтаре и.т.д. Хронологически систематизированная совокупность данных палеонтологии называется палеонтологической летописью. Согласно ей, в самых древних горных породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются организмы очень немногих типов и все они имеют простое строение; более поздние породы содержат следы большего разнообразия организмов со всё более сложным строением.

Ø При изучении эмбрионов (зародышей) у разных групп позвоночных было открыто явление рекапитуляции: при своём развитии эмбрион в определённой мере повторяет эволюционную историю той группы организмов, к которой он относится.

Ø Достижения селекции, занимающейся выведением сортов растений, пород животных являют нам результат искусственно направляемой эволюции.

Итак, обширная научная информация однозначно подтверждает факт эволюции живого. В процессе исторического развития Земли возрастали разнообразие и сложность биологических объектов.