Понятие эмерджментности живых систем
Эмерджментность (англ. emergence – возникновение, появление нового) в теории систем - наличие у какой – либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект».
В биологии и экологии понятие эмерджментности можно выразить так: одно дерево – не лес, скопление отдельных клеток – не организм. Например, свойства биологического вида или биологической популяции не представляют собой свойства отдельных особей, понятие рождаемость, смертность, неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции или виду в целом.
В эволюционистике эмерджментность выражается как возникновение новых функциональных единиц системы, которые не сводятся к простым перестановкам уже имеющихся элементов.
Критерии живых систем
1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д.
В живых организмах 97,4% химического состава приходится на шесть элементов – органогенов: углерод (20%), водород (10%), кислород (62%), азот (3%), фосфор (1,0%), сера. В живых телах эти элементы участвуют в образовании сложных органических молекул, распространение которых в неживой природе принципиально иное, как по количеству, так и по существу. Подавляющее большинство органических молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеятельности организмов. В живом веществе существует несколько основных групп органических молекул, характеризующихся определенными специфическими функциями и в большинстве своем представляющих собой регулярные полимеры. Во – первых, это нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, свойства которых, обеспечивают явления наследственности и изменчивости, а также самовоспроизведение. Во – вторых, это белки – основные структурные компоненты и биологические катализаторы. В – третьих, углеводы и жиры – структурные компоненты биологических мембран и клеточных стенок, главные источники энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. И, наконец, огромная группа «малых молекул», принимающих участие в многочисленных и разнообразных процессах метаболизма в живых организмах.
Узнать сколько серы
2. Симметрия и ассиметрия живого. В композиции частей тела сложных живых организмов, в строении их органов характерно сочетание симметрии и ассиметрии. Такое неравенство «правизны» и «левизны» проявляется не только на уровне организмов, выражаясь в их строении и динамике, оно проявляется и на молекулярном уровне. Пространственную организацию живых молекул характеризует ассиметрия «левого» и «правого» в группировке атомов. При этом форме с «правосторонней» группировкой соответствует зеркальная ей «левостронняя» форма (рис.2). В молекулах живых систем имеются только «левосторонние» формы. Так, например, молекулы белка живой материи состоят только из «левосторонних» аминокислот. Эта особенность до сих пор не получила общепризнанного объяснения. Однако считается, что такое сочетание симметрии и ассиметрии обеспечивает приспособительные реакции организмов, разнообразие движений и функций, необходимых для их выживания. В неживой природе нет различий между «правым» и «левым», она симметрична.
Вставить рисунок белка
рис.2 Лево – и правосторонняя форма аминокислоты
3. Хиральность молекул живого - одно из фундаментальных свойств живой материи. Это способность к стереоспецифической комплементарной репродукции. С позиции физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо в зависимости от конкретного соединения. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L – конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо, т.е. обладают правой или D – конфигурацией.
Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью (хираль - рука), что означает понятие ассиметрии (ассиметрия - отсутствие у объекта свойства быть зеркально симметричным).
4. Энергозависимость и открытость живых систем. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» системами понимают динамичные, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя в виде пищи из окружающей среды.
5. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние: например смыв почвы, превращение воды в пар или лед.
В отличие от обменных процессов в неживой природе у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы превращения веществ – процессы синтеза и распада. Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществом живого организма и из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом.
Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют энергетическим обменом. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма.
Следует отметить, что живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками. Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и внешней средой, сводят к минимуму потери вещества и поддерживают пространственное единство живой материи.
6. Авторегуляция и гомеостаз. Авторегуляция – это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов – гомеостаз.
При этом недостаток поступления каких – либо питательных веществ мобилизирует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной, эндокринной и некоторых других. Сигналом для включения той или иной регулирующей системы может быть изменение концентрации какого – либо вещества или состояния какой – либо системы.
7. Самовоспроизведение. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря самовоспроизведению, или репродукции жизнь вида не прекращается. На организменном уровне самовоспроизведение проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей. Размножение – это свойство живых организмов воспроизводить себе подобных. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК.
Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.
Наследственность – это способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК и воспроизведением ее химического строения (редупликацией) с высокой точностью.
Изменчивость – свойство живых организмов приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов. 8. Каталитический характер химии живого. В основе жизнедеятельности живого лежит ферментативный катализ. Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента.
9. Способность к росту и развитию. Расти – значит увеличиваться в размерах и массе с сохранением общих черт строения. Рост сопровождается развитием. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным и историческим развитием. На протяжении индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате исторического развития (филогенеза) возникло все многообразие живых организмов на Земле.
10. Раздражимость - неотъемлемая черта, присущая всему живому; она является выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения. Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие. Благодаря свойству раздражимости организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды.
11. Дискретность и целостность – Само слово дискретность произошло от латинского «discretus», что означает прерывистый, разделенный. Дискретность - всеобщее свойство материи. Каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу, простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т.д.
Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных (прерывистых) форм. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство, таким образом, живая система является целостной. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые в свою очередь состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т.д. вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.
12. Единый принцип структурной организации. Все живые организмы, к какой бы систематической группе они ни относились, имеют клеточное строение. Клетка является структурно – функциональной единицей, а также единицей развития всех обитателей Земли.
13. Ритмичность. Периодические изменения в окружающей среде оказывают глубокое влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. Ритм – это повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того же состояния через равные промежутки времени. Под ритмичностью живых систем понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и многие другие.
Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.
Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь попадая в клетки другого организма и используя его ферментативные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Вопросы для повторения:
В чем заключается системность живого?
Какие качества присущи живой системе?
3.Какова иерархическая организация живого?
4.В чем заключается единство химического состава живого?
5.В чем заключается симметрия и ассиметрия живого?
6.В чем заключается хиральность молекул живого?
7.В чем заключается энергозависимость и открытость живых систем?
8.В чем заключается обмен веществ и энергии живых систем?
9.В чем сущность самовоспроизведения?
10.Что такое гомеостаз?
11. В чем заключается каталитический характер химии живого?
12.В чем заключается способность к росту и развития?
13.В чем раздражимость живой материи?
14.В чем заключается дискретность и целостность живой материи?
15.В чем заключается единый принцип структурной организации живой материи?
16.В чем заключается ритмичность живой материи?