Биологические системы и их основные свойства

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

на тему: «Биологические системы и их основные свойства»

 

 

 

                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2012

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………….3

1. Биологические  системы…………………………………………………….4

2. Виды биологических  систем……………………………………………….5

3. Свойства биологических  систем……………………………………………7

     3.1. Итеративность………………………………………………………….7

     3.2. Дискретность…………………………………………………………….7

     3.3. Наследственность и изменчивость………………………………….8

     3.4. Раздражимость………………………………………………………….8

     3.5. Возбудимость…………………………………………………………….9

     3.6. Адаптация……………………………………………………………….9

     3.7. Способность к самовоспроизведению………………………………9

4. Основные уровни  иерархии биологических систем…………………….11

     4.1. Молекулярно-генетический уровень……………………………….12

     4.2. Клеточный уровень……………………………………………………12

    4.3. Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы……….14

    4.4. Популяционно-видовой уровень…………………………………….15

    4.5. Биоценотический уровень…………………………………………….16

    4.6. Биогеоценотический уровень…………………………………………17

    4.7. Биосферный уровень………………………………………………….18

Заключение…………………………………………………………………….19

Библиографический список………………………………………………….21

 

 

Введение

 

              В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие системы.

             Под системой понимают внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющее себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

             Степень взаимодействия частей системы друг с другом может быть различной. Кроме того, любой предмет или явление окружающего мира, с одной стороны, может входить в состав более крупных и масштабных систем, а с другой стороны — сам являться системой, состоящей из мелких элементов и составных частей. Все предметы и явления окружающего нас мира могут изучаться и как элементы систем, и как целостные системы, а системность является свойством мира, в котором мы живем [1]

              Рассматривая строение системы, в ней можно выделить следующие компоненты: подсистемы и части (элементы).

               Подсистемы являются крупными частями систем, обладающими самостоятельностью. Разница между элементами и подсистемами достаточно условна, если отвлечься от их размера.

              В качестве примера можно привести человеческий организм, безусловно, являющийся системой. Его подсистемами являются нервная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная и другие системы. В свою очередь, они состоят из отдельных органов и тканей, которые являются элементами человеческого организма. Но мы можем рассматривать в качестве самостоятельных систем выделенные нами подсистемы, в таком случае подсистемами будут органы и ткани, а элементами системы — клетки.

              Таким образом, системы, подсистемы и элементы находятся в отношениях иерархического соподчинения [2].

 

1. Биологические  системы

           Биологическая система представляет  собой совокупность, упорядочение  взаимодействующих и взаимозависимых  элементов, образующих единое  целое, выполняющее определенную  функцию и взаимодействующее  со средой и другими системами. 

           Еще Гегель призывал рассматривать  природу как систему ступеней, каждая из которых вытекает  из другой. Биологические системы  — это клетка, ткань, орган,  аппарат, система органов, организм, популяция, экосистема.

           Особенности биологических систем:

• биологическая система выполняет определенную функцию (биохимическую, физиологическую)
• биологическая система обладает свойствами целостности (несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов)
• биологическая система состоит из подсистем
• она непрерывно изменяется по сигналам обратной связи (способна к адаптации)
• обладает относительной устойчивостью, способна к развитию и самовоспроизведению.

              Уровень организации живой материи  — это относительно гомогенные  биологические системы, для которых  характерны определенный тип  взаимодействия элементов, пространственный  и временной масштабы процессов. 

              Это функциональное место биологической  системы в общей системе живой  материи. Концепция об уровнях  организации живой материи —  это концепция о дифференциации  живого вещества планеты на  дискретные, соподчиненные структурные  множества, которая сложилась  в середине XX века.

              В живой природе биологические  системы подчиняются принципу  иерархичности: уровни организации  образуют сложную пирамиду соподчинения  — за каждым структурным уровнем  следует очередной уровень, но  более высокого ранга. Каждый  уровень характеризуется специфическими  взаимодействиями компонентов и  особенностями взаимоотношений  с ниже и вышерасположенными системами [3].

 

 

2. Виды биологических  систем

               С позиций системного подхода  биологические объекты условно  подразделяются на корпускулярные (дискретные) и «жесткие» системы. 

               Корпускулярные (дискретные) системы  состоят из множества относительно  автономных и в определенной  мере взаимозаменяемых единиц. При этом связи между элементами множества могут быть слабыми или практически отсутствовать. Главным системообразующим фактором является их отношение к среде, которое «заставляет» их вести себя сходным образом (особи в популяции, форменные элементы в потоке крови, гены в генофонде вида).

               Такие системы отличаются большой  пластичностью: в силу относительной  независимости их элементы способны  к разнообразным перестановкам  и комбинаторике. Благодаря этим  свойствам значительно облегчается  приспособление систем к ненаправленно  изменяющимся условиям среды.  Процессы отбора в них протекают  с высокой эффективностью.

               «Жесткие» системы характеризуются  жестко фиксированными (не в механическом, а в организационном смысле) связями  между составляющими их элементами  и подсистемами. При этом функциональная  полноценность каждой части системы  является необходимым условием  функционирования системы в целом. 

                 Как правило, уровень организации  таких систем значительно превосходит  таковой составляющих их частей. Однако, в плане гибкости, способности  к быстрым перестройкам они  уступают корпускулярным системам. При полной «жесткости» связей  эффективность функционирования  такого рода систем определяется  «принципом наименьших», согласно  которому в системе имеется  наиболее слабое звено, лимитирующее  ее «жизнедеятельность» (пр.: ферментативные  ансамбли метаболизма, системы  органов животных и человека).

                  В действительности эти два  полярных типа систем в «чистом»  виде почти не встречаются.  При анализе сложных биологических  объектов (биоценозы, многоклеточные  организмы и др.) выявлено несколько  способов их гармоничного сочетания. 

                  При первом способе имеет место  закономерное чередование корпускулярного  и жесткого типов организации  при переходе от низших структурных  уровней к более высоким: диплоидный  набор хромосом (корпускулярность), взаимоотношения ядра, цитоплазмы и плазмалеммы (жесткие связи), множество клеток одной ткани (корпускулярность), взаимоотношения определенных тканевых структур в органе (жесткие связи), набор органов (корпускулярность), взаимоотношения систем органов (жесткие связи), множество особей одного пола (корпускулярность), взаимодополняемость полов (жесткие связи).

                   Другой способ совмещения корпускулярного  и «жесткого» принципов организации  реализуется в биологических  системах «звездного» типа, причем, на одном структурном уровне.

                   В «центре» такой системы находится  орган (как правило, характеризующийся  эволюционной консервативностью), связанный  тесными связями с определенным  множеством «периферических» органов  (признак «жестких» систем). Вместе  с тем «периферические» органы, находясь в зависимости от  «центрального», совершенно независимы  друг от друга, прежде всего,  в эволюционном плане. Это означает, что структуры, располагающиеся  на периферии «звездных» систем, могут свободно эволюционировать  и приводить к совершенно различным  эволюционным результатам (признак  корпускулярных систем).

                  Примером может служить эндокринная система позвоночных животных. Так, «ось» гипоталамус - гипофиз - половые железы (центр системы) определяет развитие вторичных половых признаков - рога у оленей, грива у львов, характерное оперение у птиц, голосовой аппарат и гребень - у земноводных, яркая расцветка - у рыб (периферия системы) [5].

                   По типу взаимодействия с окружающей средой системы делятся на открытые и закрытые.

                  Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой.

                 Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

                По составу системы можно разделить на материальные и идеальные. Биологические системы относятся к материальным системам [4].

3. Свойства биологических систем

                  Системный подход к биологическим  объектам позволил выявить ряд  присущих им характерных особенностей. Обмен веществ между элементами (подсистемами) внутри системы и  системой и окружающей средой, организованный во времени и  в пространстве и сопровождающийся  преобразованием элементов системы;  рециркуляция веществ на всех  уровнях организации системы. 

3.1. Итеративность

                 Итеративность - многократное повторение  одной и той же операции (размножение  организмов, репликация нуклеиновых  кислот, циклы биохимических реакций,  ферментативный катализ и др.).

3.2. Дискретность

                 Биосистемы состоят из набора относительно автономных структурных единиц различного ранга. Их разнообразные функции обеспечиваются путем комбинации небольшого числа стандартных функциональных блоков - идентичных для большинства организмов молекул и надмолекулярных комплексов.

                Дискретность биологических систем во времени заключается в том, что время их существования конечно. Важной особенностью временной организации биологических систем является то, что продолжительность существования составляющих их подсистем и элементов, как правило, значительно различаются. При этом наблюдается следующая закономерность: чем ниже ранг подсистемы (элемента), тем короче время ее (его) жизни.      

                Однако прекращение существования подсистемы (элемента) как физической единицы не означает более или менее быстрое исчезновение множества элементов, членом которого она (он) является. Их количественный баланс и качественные характеристики поддерживаются сформировавшимися в эволюции специальными механизмами (размножение, физиологическая регенерация и др.), благодаря чему и обеспечивается целостность и преемственность биологических систем во времени.

                  Наиболее наглядно эта закономерность  прослеживается на организменном  (онтогенетическом) уровне организации  живой природы. Смерть является  неизбежным финалом индивидуального развития отдельных особей. Вместе с тем, благодаря их способности к размножению вид, который они представляют, может существовать длительное время. Избыток структурных элементов и связей между ними позволяет повысить надежность биосистем и их устойчивость к повреждающим факторам, а также обеспечить им свойство пластичности - способности легко переходить из одного режима функционирования в другой.

3.3. Наследственность  и изменчивость

                 Наследственность и изменчивость  одновременно обеспечивают хранение, использование и передачу биологической  информации, а также необходимый  уровень ее неоднородности (разнообразия).

                Способность к самоорганизации и саморазвитию - формирование целостных организмов на основе реализации собственной наследственной информации и самоупорядочение составляющих их элементов и подсистем. Для поддержания высокого уровня упорядоченности элементов системы необходим постоянный приток веществ и энергии из окружающей среды [6]

3.4. Раздражимость

                Раздражимостью называется способность организмов отвечать на воздействия окружающей среды той или иной активной реакцией.

                Раздражимость — общее свойство всех живых организмов. В ходе эволюции раздражимость видоизменялась. Происходило разделение внутриклеточных структур на воспринимающие воздействия раздражителя и отвечающие на них, наметилось разграничение процессов раздражения как местной реакции и возбуждения как распространяющейся реакции в ответ на действие раздражителя.

               У многоклеточных животных развились специализированные ткани: нервная и мышечная, которые приспособились к осуществлению срочных реакций на раздражение. Способность нервной и мышечной ткани быстро реагировать на раздражение возбуждением называют возбудимостью.

                 Раздражимость у растений существенно отличается от раздражимости у животных. Растения отвечают на раздражение в основном изменением скорости или направления роста, вращательным движением цитоплазмы в клетке и уровнем обменных процессов. Но существуют и такие растения, которые обладают относительно быстрыми двигательными реакциями на раздражения. Так, тропическое растение мимоза стыдливая при прикосновении, ударе, а также с наступлением темноты попарно складывает листочки, а затем весь лист опускается.

3.5. Возбудимость

                   Возбудимость — одно из важнейших свойств живых организмов, их способность реагировать на действие раздражителей путем повышения физиологической активности.

                  В основе этого свойства лежит чувствительность клеточных мембран, приводящая к изменению их проницаемости и, как следствие, к изменению градиента концентрации веществ и мембранного потенциала.

                Возбудимость в той или иной мере присуща всем живым организмам, но особенно ярко она проявляется у обладателей высокоразвитой нервной системы, которая позволяет организму наиболее полно перерабатывать информацию, поступающую из окружающего мира и адекватно на нее реагировать.

3.6. Адаптация

                  Адаптация — процесс приспособления организмов к определенным условиям внешней среды; совокупность особенностей строения, обмена веществ, поведения, общественной организации (популяционной структуры) особей данного вида, позволяющих ему существовать в конкретной экологической среде.

                В основе адаптаций могут лежать как мутации, так и модификации. Различают общие адаптации — приспособления в широком смысле, свойственные крупным систематическим группам, например обтекаемая форма тела у рыб, и частные — приспособления к специфическим условиям обитания, например разный размер листовой пластинки у растений, растущих в тени и на свету.

3.7. Способность к самовоспроизведению

                 Размножение – самая характерная особенность живых систем, которую можно было бы рассматривать как «сущность жизни», то это способность к самовоспроизведению, к продолжению своего вида.

                  Даже мельчайшие вирусы, быть может не обладающие ни одним из других свойств живых организмов, способны воспроизводить себя, пусть с помощью клетки-хозяина.

                 На молекулярном уровне процесс репродукции связан с уникальной способностью нуклеиновых кислот к самоудвоению, в основе которой лежит специфичность сравнительно слабых водородных связей между парами нуклеотидов. На уровне целого организма воспроизведение принимает весьма различные формы — от простого деления клеток у бактерий и других одноклеточных организмов (процесс, еще совсем не связанный с полом) до полового размножения высших растений и животных, неимоверно сложного в структурном, функциональном и поведенческом аспектах.

                 У высших животных размножение не сводится к одним лишь генетическим процессам — к передаче генетической информации от одного поколения к другому; оно связано также с эндокринной регуляцией овогенеза, овуляции и сперматогенеза; со сложными формами поведения, обеспечивающими одновременное выделение мужских и женских гамет и их встречу, которая ведет к образованию оплодотворенного яйца, или зиготы, и, наконец, со сложнейшей цепью процессов развития и дифференцировки, в результате которых зигота превращается во взрослый организм.

                 Для сохранения каждого вида растений или животных необходимо, чтобы отдельные его представители размножались, производя новых особей для замены тех, которые погибли от хищников, паразитов или от старости.

                Процессы размножения у разных животных чрезвычайно разнообразны, хотя в общем существует два основных типа размножения: бесполое и половое.

               В бесполом размножении участвует только одна родительская особь, которая делится или почкуется, образуя две или большее число новых особей, идентичных по своим наследственным признакам родительской особи. Даже у высших животных встречается бесполое размножение; образование у человека однояйцовых близнецов при разделении одной оплодотворенной яйцеклетки — это тоже своего рода бесполое размножение.

                В половом размножении всегда участвуют две особи; каждая из них дает специализированную клетку — гамету (яйцо или сперматозоид), которые сливаются друг с другом, образуя зиготу, или оплодотворенное яйцо. Яйцо чаще всего представляет собой крупную неподвижную клетку, содержащую запас питательных веществ, которыми оно обеспечивает развивающийся организм, пока он не начнет получать пищу каким-нибудь иным способом. Сперматозоиды — это обычно очень мелкие клетки, снабженные длинным бичевидным хвостом, который позволяет им активно двигаться, приближаясь к яйцу.

                Биологическое преимущество полового размножения состоит в том, что при этом возможна перекомбинация лучших наследственных признаков обоих родителей, в результате чего потомство может оказаться более жизнеспособным, чем каждый из родителей. При половом размножении эволюция протекает значительно быстрее и эффективнее, чем при бесполом.

 

4. Основные уровни иерархии биологических систем

           Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц — организмов, или особей.

              С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой — сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

               На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный — клеточным, тканевым уровнями и т.д.

                Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный. Рассмотрим каждый из этих уровней.

4.1. Молекулярно-генетический  уровень

                 Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

                 Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

                 Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

4.2. Клеточный уровень

                 На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

               Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

                Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

                 По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

                  Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

                  Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ  из окружающей среды в клетку  и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной  структурой;

3) клеточного ядра, в котором  содержится генетическая информация.

              Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на два вида:

1) автотрофные организмы  — организмы, не нуждающиеся  в органической пище, которые  могут осуществлять жизнедеятельность  за счет ассимиляции углекислоты  (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят  необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы  — это все организмы, которые  не могут обходиться без органической  пищи.

                 Позднее были уточнен такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П. К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.