біологічні системи

БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ

- клас складних систем, що володіють рядом специфічних особливостей, що характеризують життя: здатність рости і розмножуватися, реагувати на зовнішні впливи і змінюватися. Життя в Б. с. забезпечується обміном речовин, комплексом фіз.-хім. процесів і хім. реакціями синтезу і розкладання, що мають складний циклічний характер і ферментативну природу. Б. с. є відкритими системами, які отримують ззовні речовини і енергію, і створюють з них складні структури, що володіють більш низькою ентропією, ніж навколишній світ. Б. с. можуть існувати тільки завдяки розвитку спеціальних підсистем управління, що регулюють ферментативні реакції обміну речовин і всю життєдіяльність організмів. Вони мають здатність сприймати і переробляти інформацію, виробляти керуючі (ефекторних характеру) сигнали. I

Для опису Б. с. необхідні наступні поняття.

Елемент системи - найменша структурна одиниця, яка ще має риси, що виражають гл. якість системи. I Напр. для складного організму таким елементом буде клітка, т. к. їй притаманні найважливіші якості життя. Для популяції елементом буде особина з її якостями, котрі характеризують поведінку. Елемент Б. с. має складну структуру і ф-ції.

Складність структури системи визначається кількістю і різноманітністю елементів і підсистем, які умовно можна розділити на робочі і керуючі. Ступінь складності систем в основному визначається розвитком окремих елементів і підсистем, а також самої системи, сформованої в ієрархічні «поверхи».

Для фіз. зв'язку важливий вид і напруга передається енергії, а для інформаційної - код, т. е. тип сигналів, напр. молекула РНК, нервовий імпульс, слово або річ. Зв'язки діляться на зовнішні і внутрішні. 1

Складність діяльності Б. с. визначається числом умовно виділених її функцій (програм) і складністю останніх, що виражається к-вом функціональних актів або циклів, числом що беруть участь в них елементів і підсистем і протяжністю їх у часі. Складність ф-ций визначається к-вом інформації, що переробляється всередині системи, т. Е. До-вом сигналів і складністю моделей.

Складні відносини, в яких знаходяться між собою Б. с. носять ієрархічний

характер. Ступінь незалежності однієї системи від іншої, більшої системи, прибл. визначається її життєздатністю при відключенні від неї енерг. та інформаційних впливів з боку інших подібних систем. З поняттям складних відносин пов'язана ступінь впорядкованості системи або ступінь несуперечності діяльності її підсистем і елементів, т. Е. Те, наскільки приватні ф-ції не заважають, не протидіють один одному. Підвищення ступеня впорядкованості збільшує стійкість системи, але знижує здатність до еволюції.

Більш загальним і широким поняттям є рівень організації, під яким розуміють тип структурних і функціональних відносин, що визначають в кінцевому рахунку життєздатність системи і її здатність до організації зовн. середовища. Організація і впорядкованість системи не є протилежними поняттями, т. К. При високому рівні організації система може значно змінюватися, а відносна гармонія між частинами при цьому зберігається. Це можливо завдяки розвитку моделюють здібностей в сфері управління ( «рівень свідомості»), що дозволяють передбачити в моделях динаміку зміни середовища і самої системи для знаходження найкращих варіантів поведінки.

Еволюція, т. Е. Ускладнення системи і найкраща пристосованість до середовища відбуваються по-різному: на рівні мінливості елементів (напр. Мутації) або шляхом цілеспрямованої зміни організації в сфері управління (напр. Виховання людини або вдосконалення суспільства).

Класифікація Б. с. носить умовний характер, оскільки немає єдиного критерію для підрозділів і завжди існують проміжні форми. Прийнята в зоології та ботаніки система класифікації не придатна для розгляду Б. с. «В інформаційному» плані. Більш доцільним є поділ Б. с. на п'ять ієрархічних рівнів складності: одноклітинні організми, багатоклітинні організми, популяції, біогеоценоз і біосфера.

Одноклітинні організми - це величезне число видів мікроорганізмів (мікроплазми, віруси, бактерії, найпростіші). Величина їх коливається від 0,1 до 100 мкм. Підсистеми - органели клітини - можна розділити на робочі і керуючі. Клітка має складну будову, в якому напівтвердий скелет (оболонка, перегородки, канали) поєднується з вмонтованими в нього органоидами. Ф-ції клітини - обмін речовин, ріст і розмноження, реакції на зовн. подразники у вигляді зміни обміну і форми руху - в загальному вигляді характерні для всього живого. Всі робітники і керівники ф-ції клітини підтримуються за рахунок хім. процесів ферментативної природи - починаючи від способу отримання енергії і аж до синтезу нових структур або розщеплення існуючих.

Механізм управління кліткою - це поєднання дискретних процесів синтезу молекул білків - ферментів, необхідних для здійснення тієї чи іншої ф-ції, і безперервних процесів зміни їх активності в ході виконання регульованих реакцій. ДНК являє собою модель клітини - її структури і функцій. У ній, як і в пам'яті машини, записані вихідні дані завдання і програма її вирішення. У ДНК спец. тріплетним кодом записана структура всіх потрібних білків. Це займає, мабуть, приблизно третина її «пам'яті». Інша частина зайнята «програмою зчитування», представленої «генами-регуляторами», відповідальними за синтез спец. речовин-репрессоров, які включають синтез потрібного ферменту тільки при надходженні від робочих підсистем сигналу про готовність. Сигнал цей надходить у вигляді іншого активної речовини - регулятора. Таким чином здійснюється виконання етапів циклічних ф-цій (напр. Зростання і ділення) під контролем зворотних зв'язків. Синтез білків-ферментів здійснюється по поверхової програмі з регульованими ланками: ДНК (ядро) - РНК (рибосоми) - білки - їх переміщення до місця дії.

Посилення або гальмування активності вже синтезованих ферментів здійснюється початковими і кінцевими продуктами відповідних хім. реакцій. У цьому полягає другий механізм регулювання. Отже, і в цьому випадку діють зворотні зв'язки, т. Е. Регулювання клітини можна уявити собі у вигляді складної мережі, що складається з «робочих» і «регулюють» дискретних і безперервних хім. реакцій. Перебіг їх характеризують просторові координати (фіксація на «кістяк» клітини) і концентрационно-тимчасові характеристики, що забезпечують циклічні ф-ції (виділення) і безперервні процеси обміну.

Рівень організації одноклітинних в порівнянні з іншими Б. с. невисокий, хоча і не можна порівняти з жодною тех. системою по к-ву переробляється керуючої інформації. Нові пристосувальні (адаптивні) програми тут не виробляються протягом життєвого циклу, а створюються лише в результаті мутацій.

Ступінь впорядкованості, мабуть, висока, т. К. «Периферія» - органели - мають обмежену «самостійність» в межах регулювання дії ферментів, а структура жорстко задана моделлю в ДНК. Проте зміни в окремих генах ДНК - мутації, що викликають невеликі відхилення у функціонуванні одного органоида, - переносяться іншими генами за рахунок місцевого пристосування, т. Е. Є можливість для еволюції виду. Цьому сприяє швидкість розмноження шляхом поділу, що дозволяє накопичувати окремі дрібні зміни в структурі і ф-ціях. В результаті цього виникають нові ф-ції.

Багатоклітинні організми пройшли великий шлях еволюції від губки до

людини. Вони дуже різні за розмірами і складності. Особливостями структури є диференціація клітин (м'язові, епітеліальні, сполучнотканинні, статеві), що виражається в посиленні і ускладненні якоїсь однієї ф-ції клітини за рахунок ослаблення або навіть зникнення ін. Ф-ції. Напр. сократительная ф-ція в м'язовій клітці посилюється за рахунок зникнення ф-ції перетравлення. Диференційовані клітини, об'єднані в органи і системи (робочі і керуючі), забезпечують відповідні ф-ції всього організму. До «робочим системам» відносяться: травна, видільна, дихальна, серцево-судинна, рухова, ретикуло-ендотеліальна. Керуючими системами є ендокринна і нервова. Т. о. в багатоклітинних організмі можна виділити три ієрархічних рівня структурної складності: клітинний, органний і системний. У межах кожного рівня є свої підсистеми, які теж становлять ієрархію.

Інформаційні зв'язку в організмі здійснюються через центр, нервову систему кодом нервових імпульсів - і через кров - кодом гормонів. Передача енергії і речовин йде контактно, через кров і за допомогою скорочення м'язів внутр. органів.

Функції багатоклітинного організму описуються поняттями рефлексу і інстинкту. Інстинкт об'єднує ієрархію і поєднання рефлексів за часом, спрямованих на збереження виду. Це своєрідна програма, що складається з безлічі підпрограм. Можна виділити два інстинкту - продовження роду, що складається з статевого та батьківського, і самозбереження - з харчового і захисного. У програмі інстинкту можна виділити дві сторони: зовнішню діяльність - поведінка, що виражається у тварин і людини складним кодом рухових актів, керованих анімальной нервовою системою і здійснюваних м'язами, і внутрішню діяльність - виражається в керованому гомеостазисом, в поєднанні ф-ций внутрішніх органів, керованих ендокринної і вегетативної нервової системами і покликаних енергетично забезпечити виконання рухових актів (див. Регулюючі системи організму).

Програми управління та регулювання, в загальному вигляді «записані» в ДНК, а детально - у структурі формуються в процесі росту нервової і ендокринної систем, як взаємодія спадкової інформації (ДНК) з зовн. впливами. Взаємини між внутрішньою і зовнішньою частинами програми (між поведінкою і гомеостазисом) таке: провідною є, мабуть, програма життєвого циклу (зростання, дозрівання, розмноження), закладена в ендокринній системі. Стимули від неї йдуть в анімальную нервову систему, налаштовуючи і активізуючи відповідні складні умовні та безумовні рефлекси поведінки - добування їжі, пошук самки, виховання дитинчат. Самі рефлекси здійснюються в залежності від подразників, одержуваних ззовні. Регулювання гомеостазиса «підлаштовується» під рухові акти поведінки і в той же час є для них зворотним зв'язком, т. К. Енергетично обмежує їх. Т. о. існує схема з чотирма взаємопов'язаними ланками і зворотними зв'язками.

В інформаційному плані індивідуальний розвиток організму можна уявити собі таким чином: в ДНК закладені моделі всіх спеціалізованих клітин з їх тонкою структурою і функцією. ДНК містить також програми зчитування специфічної інформації для клітин, т. Е. Власне програму зростання і дозрівання цілого організму і всіх його частин. Ця програма складається з етапів, представлених окремими шматками ДНК, в яких періоди дозрівання і прогресуючої спеціалізації клітин перемежовуються з розмноженням. У ДНК закладені також регулятори етапів, які включаються з периферії факторами-ініціаторами, що з'являються з сукупності розмножуються клітин. Індивідуальний розвиток організму на ранній стадії приблизно повторює історію еволюції видів, проте з пропусками і зі зсувами в часі. Зростання і дозрівання організму відбувається внаслідок взаємодії генетичної програми, закладеної в ДНК, з впливом зовнішнього середовища і відповідями на нього росте. Т. о. середовище впливає на формування зростаючого організму, хоча і в обмежених межах. Рівень організації багатоклітинних організмів неоднаковий у різних видів. Чим складніший організм, тим вище організація і впорядкованість.

Старіння і вмирання також необхідні для еволюції. Поки не існує єдиної думки про механізми старіння. Припускають, що планомірне ослаблення деяких ф-ций запрограмовано в генах так само, як і зростання, і розвиток. Однак, дійсний процес старіння, мабуть, є поєднанням програми старіння з накопиченням перешкод у вигляді помилок в генетичному апараті клітин і баластних хім. речовин усередині клітин і між ними. Перешкоди порушують процеси регулювання, знижують здатність протистояти хворобам.

Біологічний вид не слід розглядати як систему, оскільки він не має чітких меж у часі і просторі і виражається в інших системах - популяціях. Проте можна говорити про закони формування і зміни видів, що вивчаються в генетиці. Основою генетики є вчення про мутації і рекомбінаціях як джерелах нової генетичної інформації. При цьому потрібно враховувати, що в процесі реалізації мутантною моделі ДНК в організмі все значні зміни в генах роблять організм нежиттєздатним, оскільки порушують координацію між його частинами. Однак, помірні зміни в моделі можливі завдяки значній гнучкості генетичної

програми формування, що допускає розвиток організму ціною напруги приватних пристосувальнихмеханізмів. Так виникає генотип з рядом нових ознак - мутант. Правда, такі індивіди найчастіше безплідні або мають знижену плодючість, що призводить до швидкого витіснення їх з популяції більш плідними «нормальними» конкурентами. Тому нові види можуть виникати тільки тоді, коли сприятливі мутації і рекомбінації поєднуються зі зміною зовн. умов. Відбувається природний відбір.

Якщо популяція з новими цінними спадковими даними вже сформувалася, то в подальшому вона поширюється і «допрацьовується» шляхом подальших мутацій і рекомбінації, що підсилюють новий цінний ознака і зменшують внутрішнє напруження пристосування, ціною якого відбувалося формування організму за зміненою генетичною моделі ДНК.

Популяцією зв. сукупність особин одного виду, об'єднаних місцем і часом проживання, що дає їм можливість спілкуватися між собою. Основу популяцій становить число і частота генотипів - т. Е. Варіантів наборів генів (рецесивних і домінантних), закладених в ДНК всієї сукупності особин. Це визначає можливості популяції в боротьбі за існування і перспективи її еволюції.

Елементом популяції є особина (фенотип) - тварина або рослина з його ознаками - структурними та функціональними особливостями. Підсистемами популяції є сім'ї і зграї. Структура популяції може мати різну рухливість і обмежену складність, які визначаються різноманітністю і характером зв'язків, тісно залежать від розвитку кори мозку. Зв'язки всередині системи бувають фізичні (безпосередні фіз. Впливу особин один на одного за допомогою руху) і інформаційні (обмін сигналами - звуками, позами, мімікою), які відображають прямі впливу. Ступінь складності і багатство сигналів визначаються розвитком кори мозку. Важко виділити програми, які стосуються власне до населенню. Вона живе інстинктами особин як елементів системи. Тільки у вищих тварин з добре організованою зграєю з'являються свої закони спільноти, які суттєво впливають на життя індивідуумів.

Біогеоценоз - система, що складається з популяцій окремих біол. видів, об'єднаних спільністю географ, і клімат, умов. Елементами системи є особини, підсистемами - сім'ї, зграї і популяції. Зв'язки бувають прямі - фізичні та інформаційні (сигнали) і непрямі - через неживу природу і нижчі біол. види. Ступінь організації системи низька і підвищується тільки в результаті впливів людини. Впорядкованість її теж низька. Система існує при постійній міжвидової і, частково, внутрішньовидової боротьби.

Біосфера - це соіокупность всього живого на планеті.

Про Б. с. відомо поки дуже небагато. Щоб підвищити ефективність управління Б. с. необхідно поглиблювати дослідження не тільки традиційними методами, але і шляхом вивчення кількісних моделей, створюваних кібернетикою біологічною. Н. М Амосов