3.1. основные свойства живых систем

3.1. основные свойства живых систем

Для понимания структуры и функционирования экологических систем представляется целесообразным сформулировать наиболее общие свойства живых систем клеточного и организменного уровней организации в терминах физической картины мира. Во 2-й главе уже кратко перечислены основные свойства живых систем. Это структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации. Здесь мы рассмотрим, с помощью каких условий и механизмов реализуются основные свойства живых систем.

Живой может быть названа динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную и сигнальную информацию с целью самосохранения. Информация возникает в результате взаимодействия потока энергии с материализованной программой. Программы могут создавать только биологические системы. Молекулярная информация это совокупность сигналов, передаваемых специфическими молекулами. Сигналом относительно элемента системы является физическое или химическое воздействие, изменяющее функционирование этого элемента. Активное восприятие и преобразование информации означает опережающее (охранительное) реагирование на внешнее воздействие и связанное с ним изменение системы. В руководствах по биологии оно обычно определяется как свойство раздражимости. Сохранительное реагирование может быть реализовано несколькими способами: избеганием неблагоприятного воздействия, оборонительной реакцией, регенерацией, самовоспроизведением. Для восприятия и преобразования сигналов, обеспечивающих реакции и самосохранение системы, необходимы следующие условия:

Система должна иметь относительно устойчивую структурную организацию. Основой структурной организации подавляющего большинства биологических систем как индивидуумов является строение биологических макромолекул, надмолекулярное устройство клеток и клеточное строение многоклеточных организмов.

Наличие запаса концентрированной энергии, которая может быть использована для восприятия сигналов, реагирования на них и сохранения структуры. В живых системах эта энергия заключена в определенных химических связях органических веществ.

Для освобождения энергии в биосистеме и обращения ее в физиологическую работу нужны вещества, которые снижают потенциальные барьеры химических реакций (катализаторы) и трансформируют выделившуюся химическую энергию в физиологическую работу. Эти функции обеспечиваются ферментами.

В структурах, выполняющих информационную функцию, закодированы программы считывания и реализации информации. Существует два рода таких программ: а) программы самовоспроизведения, копирующего биосинтеза (генетическая память); они закодированы в молекулярной структуре нуклеиновых кислот ДНК и РНК; б) программы оперативного реагирования индивидуального поведения (сигнальная память); они записаны в системах рефлекторных структур, включающих чувствительные элементы и управляющие устройства.

Поскольку большинство сигналов в живой системе передается особыми молекулами, воспринимающие их клеточные структуры рецепторы должны обладать свойством молекулярного узнавания. На молекулярном узнавании основаны важнейшие биологические процессы: активность ферментов, репликация ДНК, биосинтез белка, самосборка надмолекулярных структур, взаимодействие антиген антитело, химическая рецепция (вкус, обоняние) и др.

При каждой реакции в живой системе расходуется какая-то часть энергоносителей и каркасных структур. Для их возобновления и сохранения целостности необходим приток веществ и энергии из окружающей среды питание. В процессах метаболизма обмена веществ и энергии внутри биосистемы объединены и уравновешены взаимосвязанные процессы анаболизма (ассимиляции) уподобляющего синтеза веществ, и катаболизма (диссимиляции) распада сложных соединений на простые с освобождением энергии.

Постепенное накопление в каждой отдельной живой системе необратимых структурных изменений ограничивает ее существование во времени. Поэтому клетка, организм стремятся к самовоспроизведению, не ожидая, пока возникнет угроза их жизни. Наличие программы воспроизведения в виде ДНК и ее большая стабильность по сравнению с другими структурами биологической системы обусловливают свойство наследственности. Наследственность не абсолютна, она так же, как и живая система в целом, обладает изменчивостью под влиянием случайных спонтанных или индуцированных изменений в генетическом аппарате мутаций.

Наследуемые изменения и их отбор под действием факторов среды обусловливают генетические адаптации, видообразование и увеличение биологического разнообразия. Они тоже могут рассматриваться как опережающие реакции, но уже на надорганизменном уровне, со стороны экологических систем: если изменяются условия жизни, то разнообразие видов обеспечивает большую вероятность сохранения жизни за счет форм, относительно лучше приспособленных к новым условиям. Это обусловливает процесс биологической эволюции.

Перечисленные свойства лежат в основе единства и разнообразия живых систем. В живой природе практически бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания немногих структурных единиц. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Только на 6 элементов О, Н, С, N, S, Р приходится в среднем почти 99\% состава органики всех живых существ от вирусов до человека. Эти элементы называют биогенными. Их соединения образуют несколько десятков природных мономеров аминокислот, нуклеотидов, Сахаров и других органических веществ, различные сочетания которых, в свою очередь, дают уже огромное число индивидуальных биополимеров.

Многочисленность и разнообразие природных биологических форм хорошо известно. В настоящее время на основании морфологических и биохимических различий надежно идентифицировано более 1,7 млн видов организмов. Но за счет большого числа неидентифицированных низших форм (микроорганизмов, грибов, червей, членистоногих) фактическое общее число видов может быть в 3-5 раз больше. В литературе часто фигурирует размах числа видов на планете от 5 до 30 млн и используется порядок величины 107. В пределах вида или популяции, даже не считая отличий по полу, возрасту, фазе развития, по-своему разнообразны и отдельные организмы. А их на планете очень много: по некоторым оценкам от 1026 до 1030.

При всем биологическом разнообразии оно, тем не менее, во много раз меньше, чем в принципе могло бы быть, исходя из возможного числа молекулярных сочетаний. По подсчетам М.Эйгена (1971) число изомеров одной молекулы ДНК кишечной палочки составляет примерно 101000000. В то же время число атомов во всей видимой Вселенной имеет порядок «всего» 1080. В сравнении с числом изомеров только одной молекулы величина разнообразия молекул, известных науке, представляется совершенно «ничтожной» не более 108. Это относится не только к химическим соединениям: на всех структурных уровнях организации материи, включая биологический, реализована ничтожная часть возможных комбинаций. А это означает, что каждый биологический вид, более того, каждое живое существо в высокой степени уникально. Оно должно обладать редчайшим набором свойств, с помощью которых организм уравновешивается со множеством действующих на него сил окружающей среды.