Свойства биологических систем

Живые организмы и системы обладают общими свойствами: они поддерживают относительное постоянство внутренней среды, обмениваются веществами и энергией с окружающей средой, воспроизводят себе подобных и имеют иерархическое строение. Эти свойства взаимосвязаны и помогают отличить живое от неживого.

Живые системы как открытые системы

Биологическая система — это целостная совокупность взаимосвязанных элементов, обладающая свойствами, которых нет у отдельных частей или которые проявляются у них иначе. Организм, клетка, популяция и экосистема являются биологическими системами разных уровней.

Живые системы являются открытыми: они постоянно обмениваются с окружающей средой веществами, энергией и информацией. Например, растение поглощает воду и минеральные соли из почвы, углекислый газ из воздуха и энергию света, а выделяет кислород и органические вещества. Животное получает пищу и кислород, выделяет углекислый газ, воду и продукты обмена.

Открытость не означает отсутствие границ. Клеточная мембрана, покровы организма или границы экосистемы отделяют систему от среды, но обеспечивают избирательный обмен. Благодаря этому система сохраняет внутреннюю организованность, хотя её состав постоянно обновляется.

Если за некоторый промежуток времени масса поступивших веществ равна массе выделившихся, масса системы остаётся примерно постоянной. Это не означает прекращения обмена: вещества внутри организма непрерывно заменяются новыми.

Саморегуляция и гомеостаз

Саморегуляция — способность живой системы самостоятельно поддерживать относительное постоянство своего состояния и согласовывать работу частей. Она основана на обратных связях: изменение какого-либо показателя вызывает реакции, которые ослабляют или усиливают это изменение.

Гомеостаз — относительное динамическое постоянство внутренней среды организма. Постоянными остаются не все значения, а их допустимые пределы. Температура тела, содержание глюкозы, воды и солей могут немного изменяться, но регулирующие механизмы возвращают их к нормальному уровню.

• При повышении температуры тела усиливаются потоотделение и отдача тепла.
• При снижении температуры возникают дрожь и сужение кровеносных сосудов кожи.
• После повышения концентрации глюкозы в крови поджелудочная железа выделяет инсулин, и клетки начинают поглощать глюкозу.
• При недостатке воды возникает чувство жажды, а почки уменьшают её выведение.

У саморегуляции обычно выделяют три звена: рецептор, который воспринимает изменение; регулирующий центр, сравнивающий значение с нормой; исполнительный орган, изменяющий работу системы. Например, при перегревании рецепторы кожи и мозга передают информацию в нервные центры, после чего активируются потовые железы.

Воспроизведение и развитие

Воспроизведение — способность живых организмов создавать новые организмы, сходные с родительскими. Благодаря этому жизнь сохраняется во времени, а наследственная информация передаётся следующим поколениям. Воспроизведение связано с биологической информацией, содержащейся прежде всего в молекулах ДНК.

Различают бесполое и половое размножение. При бесполом размножении участвует одна родительская особь, а потомки обычно генетически почти одинаковы с ней. К нему относятся деление клетки, почкование, спорообразование и вегетативное размножение растений. При половом размножении обычно участвуют две особи или две половые клетки; потомки получают сочетание наследственных признаков родителей и отличаются большим разнообразием.

Воспроизведение нельзя отождествлять с ростом. Рост — увеличение размеров и массы организма, а развитие — качественные изменения, усложнение строения и функций. Организм может расти без размножения, но размножение невозможно без передачи наследственной информации и образования нового организма.

Иерархичность биологических систем

Жизнь организована не одним уровнем, а системой взаимосвязанных уровней. Уровни организации живого образуют иерархию: каждый более высокий уровень включает элементы нижнего и приобретает новые свойства.

Иерархичность означает не простое расположение объектов «по ступенькам». Между уровнями существуют связи: свойства клетки зависят от взаимодействия молекул, свойства организма — от совместной работы клеток, а свойства популяции — от взаимодействия организмов. При этом свойства высокого уровня нельзя полностью объяснить свойствами отдельных элементов.

Как свойства связаны между собой

Открытость обеспечивает поступление веществ и энергии, необходимых для обмена и поддержания саморегуляции. Саморегуляция сохраняет внутренние условия, при которых возможны рост, развитие и размножение. Воспроизведение поддерживает существование системы во времени, а иерархичность позволяет объединять элементы в более сложные системы.

Рассмотрим организм как систему. Он состоит из органов, органы — из тканей, ткани — из клеток, клетки — из молекул. Одновременно организм связан с популяцией и экосистемой: он получает ресурсы из среды, взаимодействует с другими организмами и участвует в круговороте веществ.