Живые системы

Система – множество элементов, закономерно связанных между собой и обладающих целостным поведением.

Эмерджентность — наличие у системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями.

Поведение – способность системы изменять свои свойства в ответ на изменение среды.

Примеры систем: молекулярные комплексы, биосфера, глобальная экосистема.

Уровни организации живых систем:

1. Молекулярно-генетический

Комплексы макромолекул (биополимеров, белков, нуклеиновых кислот), которые способны к самовоспроизведению. Субмикроскопический уровень (in vitro – в пробирке, с стекле).

Обладает свойствами живого – саморегуляция, самовспризведение.

2. Клеточный

Клетка – структурная и функциональная единица всего живого. Клетка – единица трансформации энергии. Отличаются по способам трансформации.

Фотосинтез – солнечная энергия; основной энергетический процесс, создает биосферу.

Хемосинтезирующие бактерии – энергия химических реакций, способны синтезировать органическое вещество (в глубинах океана черви без рта с бактериями в кишечнике).

Гетеротрофное питание. Главный процесс – дыхание.

Клетки имеют хорошие возможности коммуникации. Морфологические и химические связи.

Примерно 254 типа клеток в организме позвоночных.

Разные размеры клеток. Нейроны ракообразных, моллюсков – очень крупные.

Клеточная теория превратилась в современную молекулярную биологию.

3. Организменный

Миллионы видов организмов. Многие исчезают, но открывают новые.

Обеспечивают полное заселение и использование земного пространства.

2 постоянных процесса в биосфере:

• Постоянная трансформация солнечной энергии.

• Круговорот биогенов (на основе многообразия видов). Биогеохимические циклы.

Биогены – химические элементы, из которых состоят клетки и организмы.

C, N, O, H, P, S и т.д. + микроэлементы.

Организмы извлекают углерод из земной коры и сохраняют в своих телах.

Жизнь появилась 3,6 млрд лет назад

4. Экосистемы и биосфера

На основе биологической специализации организма. Концепция экосистемы (сер. ХХв.)

Экосистема – исторически сложившийся комплекс всех живых организмов, обитающих на определенной территории, и условия их существования (озеро, лес).

Биоценоз – сообщество всех живых организмов.

Фитоценоз – продуценты (зеленые растения) – создают органическое вещество.

Зооценоз – консументы, потребители (травоядные – первичные, хищники, паразиты – вторичные).

Микробоценоз – редуценты (грибы и бактерии) – превращают органическое вещество в минеральное.

Биотоп – неживое, совокупность всех условий существования (почва, климат, вода).

Как живое контролирует физико-химический состав земли (биоценоз – биотоп)?

Биоценоз создает почву, регулирует газовый состав атмосферы (CO2 и O2, N могут связывать только бактерии). Растения выделяют фитоциды.

Вода в мировом океане насыщается кислородом, витаминами и микроэлементами благодаря живым организмам.

Моллюски, черви – очищают воду от тяжелых металлов, органических остатков (продуктов гниения).

Влияют и на климат. Вода не стекает по поверхности, а стекает в подводные горизонты благодаря растениям.

Биосфера состоит из многих отдельных экосистем.

Единство, т.к. Солнце – «водитель» всех биологических ритмов. Суточные ритмы, внутриклеточные ритмы (ритмы биохимических реакций).

Приливно-отливные ритмы и циклы размножения зависят от Луны.

Как реагирует целое на внутренние факторы:

• Вырубка лесов – изменился % кислорода.

• Неправильная агротехника в ХХв. – уничтожение плодородного слоя, пыльные бури.

• Сахара была заселена монокультурой – опустынивание.

• Бури, снижение прозрачности атмосферы, сгорание топлива – парниковый эффект.

• Химические загрязнения (инсектицид ДДТ найден в жировой прослойке пингвинов).

Клетка бактерии – наиболее просто устроена

Мембрана – полужидкая, жироподобная пленка; отделяет внутреннее от наружного; избирательная проницаемость – пропускает только необходимое.

Программа – спиралевидные молекулы ДНК – инфа о всех биохимических особенностях организма, определяются ферментами (биологическими катализаторами – белками). Ядро – органелла, где и есть программа, но у бактерии ядра нет.

Капсула окружает бактерию – защита.

Машина синтеза белка

Бактерия в водной среде. Пенициллин – антибиотик, бактерия пытается убежать, восприняла сигнал опасности. Мембрана оценила пенициллин с помощью рецепторов. Сигнал опасности передается программе. В ДНК активируется ген на синтез противоядия, сигнал синтетической машине, синтезируется пенициллаза. Когда кончается пенициллин, заканчивается синтез. Рецептор результата.

Нейроэндокринная регуляция размножения

Размножение – сезонное.

Горбуша размножается раз в жизни. Рождается в реке, растет в море, потом надо снова размножаться в реке. В определенный момент получает сигнал о наступлении размножения.

Место для страшной схемы

Общие свойства живых систем

Гетерогенность (сложность) – возможность специализации, разнообразия.

Открытость – жизнь в потоке (вещества, энергии, инфы), коммуникация.

Биологические структуры поддерживаются благодаря потоку энергии.

Диссипативные структуры - устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне.

Живые системы неравновесны, они постоянно поддерживают свои границы со средой.

Эрвин Бауэр «устойчивое неравновесие»

Инфа извне воспринимается и оценивается в клетках. Клетки содержат структурную, генетическую (ДНК) инфу.

Все это делает биосферу в целом очень устойчивой.

Также поток исходит от живых организмов, коммуникация – химические вещества (феромоны, метаболиты растений), язык поз, танца, звуки.

Это определяет антиэнтропийность живых систем.

Саморегуляция

Гомеостаз – способность открытой системы сохранять постоянство внутренней среды (от клеточной среды до размера экосистем). Равновесие среды.

Гомеостаз – постоянство круговорота, поддерживаемое в природе.

Константы гомеостаза: газовая среда (CO2, O2), в крови (лейкоциты, тромбоциты).

Параметры гомеостаза система автоматически поддерживает.

Эти параметры – не четко постоянная величина, а колеблющаяся, но в определенных пределах. Это норма реакции, определяется генетически.

Адаптация – приспособление к изменениям внешней среды. Врожденное, фундаментальное свойство. Изменение в пределах нормы. Приспособление через стресс.

Ганс Селье «Очерки об адаптационном синдроме»

Стресс – состояние неспецифического напряжения при повышенных требованиях среды (холод, жара, химический стресс). Механизм один и тот же, независимо от вызвавшего фактора.

Нейроэндокринная регуляция

2 выхода из стресса:

• Тренировка (увеличение нагрузки) – эустресс (благотворный).

• Дистресс - истощение организма. Дистресс – механизм естественного отбора.

Самовоспроизведение

Происходит в соответствии с генетической программой. Перед каждым делением клетки – синтез белка.

Размножение (бесполое и половое – более прогрессивно) - ведет к генетическому разнообразию и устойчивости системы.

В целом вид сохраняет свою адаптивность при разных условиях.

Биологический смысл смерти:

• Для природы был бы перебор геномов. Видовые гены сохраняются.

• Экологический план: живое вещество – материал для следующего поколения. Круговорот.

Индивидуальность, дискретность жизни. Жизнь на Земле представлена мириадами организмов. Взаимодействие друг с другом, освоение различных источников жизни. Позволяет эволюционировать.

Развитие – необратимые движущие процессы (изменения в клетках); необратимое поступательное движение.

Т.к. каждая живая система не бывает в одном и том же состоянии, это неотъемлемое свойство.

Не может быть постоянного гомеостаза у живых организмов, т.к. происходит развитие.

Поэтому существенны ограничения по возрасту для обучения.

Точка неустойчивости – смена гомеостатических механизмов.

В детском возрасте – созревание нейромеханизмов (связано с возрастом обучения).

В подростковом возрасте – созревание эндокринной системы.

После полового созревания – возрастные кризисы, неустойчивость, угасание эндокринной, нейрорегуляции.

Каждая система в динамическом состоянии:

• Циклы, биологические часы (обратимы)

• Процессы развития (необратимы)

Особенность биологического времени: у короткоживущих организмов нет. Есть индивидуальные часы у каждого вида организмов.

Видовая продолжительность жизни генетически обусловлена.

Биологическое пространство: есть отсеки, транспортные пути, правила перехода от одного органа к другому.

Процесс биологического времени связан с правилами химических переходов внутри клетки.

Эволюция

Каждого вида и всей биосферы в целом.