Биосистемы. Что такое биосистема? Основные свойства биосистемы Какими свойствами обладают биосистемы

1.13. (дополнение) Универсальные свойства биосистем

При всей специфичности биосистем разных уровней, для них можно выделить ряд универсальных свойств. Назовем некоторые из них.

Определенный состав и упорядоченность . Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.

Иерархичность организации . Как рассматривалось в пункте 1.05, жизнь проявляет себя одновременно на многих уровнях организации, каждый из которых имеет свои особенности.

Обмен веществ - важнейшая особенность функционирования биосистем. Это совокупность происходящих в них химических преобразований и перемещений веществ. На клеточном и организменном уровнях обмен веществ связан с питанием , газообменом и выделением , а, например, на биогеоценотическом - с круговоротом веществ и их перемещением между разными биогеоценозами.

Поток энергии через биосистемы тесно связан с их обменом веществ. Благодаря тому, что атомы вещества в ходе их преобразований не изменяются, вещество может совершать круговорот в живых системах. Энергия, в соответствии со вторым началом термодинамики, при превращениях частично рассеивается (переходит в форму тепла), и поэтому живые системы существуют только в условиях текущего через них потока энергии из внешнего источника. Для биосферы в целом таким источником является Солнце.

Способность к развитию . Все биосистемы возникают и совершенствуются в ходе эволюции . Эволюция на молекулярном уровне привела к возникновению организмов; благодаря эволюции популяций меняются характерные свойства организмов и всех входящих в их состав систем. Изменение биогеоценозов и биосферы также связано с их способностью к эволюции. Развитие отдельного организма называется онтогенезом ; эволюционная история вида - филогенезом ; развитие биоценозов на одном участке - сукцессией .

Приспособленность - соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них. Результатом способности живых систем вырабатывать приспособления является поражающее воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости - свойству реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом отвечают на изменения и биосистемы всех других уровней, что позволяет говорить, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой.

Саморегуляция . Биосистемы находятся в состоянии постоянного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Например, клетки и организмы благодаря саморегуляции поддерживают постоянство своей внутренней среды (гомеостаз), а биогеоценозы поддерживают свой видовой состав и определенные свойства неживой среды. Поддержание постоянства свойств биосистем обеспечивается благодаря отрицательным обратным связям, а их изменение и развитие - благодаря положительным обратным связям.

Динамичность (состояние непрерывных изменений). Жизнедеятельность на всех уровнях организации биосистем связана с обменом веществ и информации, а также потоком энергии. При этом каждая биосистема, начиная от клеточного уровня, является не столько структурой, сколько процессом. Так, клетка остается сама собой, несмотря на то, что в результате обмена веществ сменяются образующие ее вещества. Популяция существует, несмотря на то, что гибнут и появляются входящие в ее состав особи. Для клеток и организмов характерным проявлением динамичности является подвижность - способность к изменению положения и формы самой системы и ее частей.

Целостность (интегрированность) - необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы эмергентных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. К примеру, в состав клетки должен входить совершенно определенный состав компонентов, строго соответствующих друг другу (если митохондрия синтезирует не все свои белки, то ядро обязательно должно управлять синтезом недостающих, и вполне соответствующих имеющимся в митохондрии). Организм состоит из определенного комплекта органов. Биогеоценоз тоже состоит из определенного набора компонентов (например, автотрофов и гетеротрофов), но их состав оказывается в большой мере заменяемым. Раз связи подсистем в клетке и организме являются более жесткими (свойства одной подсистемы требуют строго определенных характеристик другой подсистемы) чем в биогеоценозе, клетку и организм можно считать более целостными. На биогеоценотическом и биосферном уровне в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (впрочем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут входить и в состав организмов, а также биосистем других уровней).

Уникальность . Все биосистемы, начиная от клеточного уровня, неповторимы и отличаются от аналогичных систем. Например, имеющие идентичную наследственную информацию организмы (однояйцовые близнецы, клоны и т.д.) обладают неповторимой индивидуальностью, зависящей от бесконечно разнообразных особенностей воздействия на них среды и саморегуляции в ходе развития.

Способность к воспроизводству биосистем обеспечивает устойчивость жизни во времени. Биомолекулы синтезируются клеткой; клетки (и даже некоторые структуры эукариотической клетки) воспроизводятся путем деления. На организменном уровне воспроизводство обеспечивается благодаря размножению . Преемственность поколений на организменном (а также на клеточном) уровне обеспечивается наследственностью , а возможность эволюции - изменчивостью . Воспроизводство популяций, биогеоценозов (а быть может и биосферы) обеспечивается не только размножением организмов, но и благодаря их способности к расселению.

Эволюция живого привела к формированию существующего ныне на планете биоразнообразия. За всю историю Земли на ней обитало от одного до двух миллиардов видов живых существ, большая часть которых вымерла. Однако и современное многообразие биологических видов потрясающе велико. Ученым известно не менее 1,4 млн. видов, обитающих на планете, в том числе не менее 4000 видов млекопитающиих, 9000 – птиц, 19000 рыб, 750000 насекомых, 210000 цветковых растений. Учитывая еще не описанные виды, общее число видов оценивается в диапазоне 5-30 млн. (Грант, 1991). «Полагают, что сейчас на нашей планете обитает свыше миллиона видов животных, 0,5 млн. вида растений, до 10 млн. микроорганизмов, причем эти цифры занижены» (Медников, 1994).

Такие различные организмы, как крошечные бактерии и гигантские синие киты, одноклеточные корненожки и человекообразные обезьяны, цветковые растения и насекомые – все входят в состав единого планетарного «тела биоса». Подобно целостному организму, биос зависит в своем существовании от гармоничного, слаженного функционирования всех “систем органов”. В роли “органов” и их “систем” выступают разнообразные группы живых существ. Описание этого био-разнообразия в различных его аспектах и гранях весьма важно как с точки зрения охраныэтого разнообразия, так и в концептуальном плане. Для биополитики особенно существенное значение имеет приложе­ние принципа, аналогичного “биоразнообразию”, к политическим системам с их плюрализмом, взаимодополни­тель­ностью и взаимозависимостью. Понятие “биоразнообразие” включает несколько различных аспектов.

3.3.1. Разнообразие видов живого с точки зрения систематики. Виды группируются в роды, роды – в семейства и т.д., пока мы не доходим до самых крупных из основных подразделений многообразия живого – империй, которые подразделяются на царства.. Наиболее фундаментальное различие современные систематики усматривают между прокариотами («доядерными») иэукариотами («истинноядерными»). Это и есть две империи: к империи прокариот (Prokaryota ) относятся микроскопические существа – бактерии; к империи эукариот (Eukaryota ) -- все остальные формы жизни – простейшие, грибы, растения, животные (включая человека).

«Прокариотная клетка отличается тем, что имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой клеточной, или цитоплазматической (ЦПМ). У подавляющего большинства прокариот ЦПМ - единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В эукариотных клетках в отличие от прокариотных есть вторичные полости. Ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость… Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, получили название органелл. В клетках прокариот органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной.» (Гусев, Минеева, 2003). В пределах каждой империи различные авторы выделяют различное количество царств. Так в классификации Уиттекера (Whittaker, 1969) империя эукариот дробится на 4 царства – протисты, или простейшие, грибы, растения и животные, а прокариоты (синоним – монеры) считаются единым царством. В нижеследующей классификации от схемы Уиттекера допущено единственное отступление – прокариоты поделены на 2 царства – эубактерий и архей (архебактерий), что соответствует фундаментальному характеру различий между ними.

1. Империя прокариот (Prokaryota ). Организмы, в большинстве случаев представляющие собой одну клетку. Недостижимое для других групп разнообразие условий обитания и часто невероятная пластичность. Типы питания весьма разообразны. Их характеризуют по природе источников трех необходимых компонентов жизни: энергии, углерода и водорода (источника электронов). По источнику энергии различают две категории организмов: фототрофы (использующие солнечный свет) и хемотрофы (использующие энергию химических связей в питательных веществах. По источнику углерода выделяют автотрофы (СО 2) и гетеротрофы (органическое вещество). Наконец, по источнику водорода (электронов) различают органотрофы (потребляющие органику) и литотрофы (потребляющие производные литосферы – каменной оболоочки Земли: Н 2 , NH 3 , H 2 S, S, CO, Fe 2+ и т.д.) По такой классификации зеленые растения (см. ниже) – фотолитоавтотрофы, животные и грибы – хемоорганогетеротрофы. В мире прокариот встречаются самые разнообразные сочетания. Прокариоты могут быть далее подразделены на

· Царство эубактерии (Eubacteria, «обычные бактерии»). Клеточная стенка обычно содержит специфическое вещество – пептидогликан (муреин). Царство включает разнообразных представителей – от мирных сожителей человека типа кишечной палочки (Escherichia coli ) до опасных патогенов (возбудителей чумы, холеры, бруцеллеза и др.), от обогатителей почвы ценными азотистыми веществами (например, представители рода Azotobacter ) до окислителей железа (железобактерии Thiobacter ferooxidans ) и тех, кто способен фотосинтезировать подобно растениям, в том числе и с выделением кислорода (цианобактерии). В последние годы в некоторых работах царство «бактерии» делят на несколько самостоятельных царств.

· Царство археи(или архебактерии – Archaea или Archaebacteria ), обитающие в экзотических условиях (одни в полном отсутствие кислорода; другие – в насыщенным растворе соли; третьи – при 90-100 о С и т.д.) и имеющие своеобразное строение клеточной стенки и внутриклеточных структур. По некоторым признакам (например, организация рибосом) археи ближе не к про-, а к эукариотам («сестринская связь» архей и эукариот, см. Воробьева, 2006).

2. Империя эукариот (Eukaryota ). Как уже подчёркивалось, в империю эукариот входят организмы с вторичными полостями клеткок – органеллами, включая и ядро. Эукариоты включают в себя царства: простейшие, грибы, растения и животных:

· Царство простейшие (Protista ) Одноклеточные или колониальные (рыхлое объединение способных существовать самостоятельно клеток) организмы, имеющие клеточное ядро, окруженное двойной мембраной. По способу получения энергии делятся на группы, напоминающие 3 царства, данные ниже (есть протисты, подобные грибам, растениям и животным).

· Царство растения (Plantae ). Многоклеточные организмы, способные к усвоению энергии света (фотосинтезу) и потому часто не нуждающиеся в готовых органических соединениях (ведущие автотрофный образ жизни). Вода, минеральные соли и в некоторых случаях органика поступают путем всасывания. Растения поставляю органику для других царств живого и вырабатывают живительный кислород (последняя роль в известной мере выполняется также прокариотами – цманобактериями).

· Царство животные (Animalia ).Многоклеточные организмы, питающиеся готовыми органи­ческими соединениями (ведут гетеротрофный образ жизни), которые они приобретают посредством активного питания и передвижения, причем преимущественным объектом питания служат живые организмы. В рамках данной книги особый интерес представляют организмы с ярко выраженной социальностью – способностью формировать сложные надорганизменные системы с разделением функций, координацией поведения особей в масштабе всей системы. Таковы колониальные кишечнополостные, чьи колонии порой напоминают единый организм (сифонофоры), насекомые типа термитов, пчел или муравьев, чья социальная жизнь издавна вызывала восхищение у мыслителей и навевала аналогии с человеческим социумом (например, отраженную в басне XVIII века «О пчёлах», принадлежащей перу Мандевилля) и, наконец, хордовые, особенно млекопитающие.

«Командные посты» в биосфере Земли занимают представители типа хордовых: рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие во главе с человеком. Для них характерны следующие признаки:

· Хорда (спинная струна) – ось внутреннего скелета, упругий гибкий стержень.У высших хордовых имеется лишь на ранних стадиях развития зародыша, вытесняясь затем позвоночником.

· Центральная нервная система (спинной и головной мозг) имеет трубчатое строение и образуется как впячивание спинной стороны зародыша.

· У всех хордовых, по крайней мере на стадии зародыша, имеются жаберные щели – парные поперечные отверстия, прободающие стенку глотки.

Самый высокоорганизованный класс хордовых – млекопитающие (звери). Они имеют постоянную высокую температуру тела, высокоразвитую нервную систему. В первую очередь головной мозг. Рождают детенышей, которые развиваются в теле матери, получая питание через плаценту, а после рождения вскармливаются молоком» (Медников, 1994).

3.3.2. Разнообразие внутри одной таксономической группы живых существ , в частности внутри одного вида (скажем, разнообразие внутри вида кошка домашняя). Это разнообразие, в свою очередь, включает в себя ряд важных аспектов. Так, можно говорить о разнообразии группировок особей внутри одного и того же вида живого. Например, все обезьяны шимпанзе относятся к одному виду, но наблюдаются различия в поведении и языках общения, а также ритуалах у разных групп шимпанзе. Приматолог де Вал отмечает, что только в одной из изученных им групп шимпанзе обезьяны приветствовали друзей, поднимая над головой руки и пожимая их. Не менее важно разнообразие и внутри одной такой группы - будь то прайд львов или колония микроорганизмов.

Во-первых, особи различаются по возрастам (“возрастная пирамида”), а во многих случаях по половым характеристикам. Даже у бактерий могут быть два типа особей - F+ и F- клетки (у кишечной палочки, населяющей кишечник человека).

Во-вторых, имеются бесчисленные индивидуальные вариации. Биополитики обращают внимание на то, что и у человека в семьях велики индивидуальные различия, например, между братьями. И в человеческом обществе, и в группах любого другого вида живого такое разнообразие представляет результат сложного взаимодействия врожденных (генетических) характеристик и влияния различий в условиях жизни (факторов окружающей среды). Отметим, что даже в одной семье у человека в разных условиях живут старшие и младшие братья, любимые и нелюбимые дети.

На все эти индивидуальные отличия налагаются еще различия, диктуемые распределением ролей и функций во всей группе, семье, колонии, вообще биосоциальной системе. И тогда оказывается, что для разных социальных ролей лучше подходят особи с различными задатками, а также разные роли могут быть распределены по возрастам и полам индивидов. Например, при всем своем “эгалитаризме” (равенстве по богатству, авторитету, рангу, см. ниже, 3.7) первобытное общество учитывало возрастные, половые и просто индивидуальные различия. Мужчины в основном охотились, женщины - собирали плоды, коренья, ягоды и в большей мере участвовали в воспитании детей; люди преклонного возраста преимущественно становились старейшинами, шаманами, в то же время вождь во время войны чаще был молодым человеком. Люди с индивидуальными талантами могли их развивать - художественные дарования делать наскальные рисунки, искусные танцоры и рассказчики веселить соплеменников своими плясками и повествованиями, соответ­ственно.

Поэтому биоразнообразие во всех своих гранях поистине является необходимой предпосылкой оптимального, гармоничного функционирования целого анасамбля живого - биосферы. Организмы с различными характеристиками и требованиями к среде обитания, вступающие в разнообразные отношения друг с другом, могут быть функционально специализированны в рамках "тела биоса". Каждый из биологических видов может представлять собой жизненно важный орган этого "тела". Есть многочисленные примеры отрицательных глобальных последствий уничтожения одного только биологического вида.

3.3.3. Уровни организации живых организмов. Одним из важных аспектов биоразнообразия служит многоуровневость живых объектов. Читателю рекомендуем вернуться на мгновение в конец раздела 2.1 выше, где мы коснулись вопроса о многоуровневости (многослойности) мира в целом. В рамках приведенной нами схемы Н. Гартмана живое соответствует «органическому» слою (хотя и не исчерпывается им, проявляя элементы «душевного» и даже «духовного» -- на чем собственно и зиждется возможность сопоставительного биополитического подхода к человеку и другим формам живого). Но, даже оставаясь в рамках органического слоя (уровня), мы можем выделить в нем несколько уровней второго порядка – их Гартман (Hartmann, 1940) называл «ступенями бытия» (Seinsstufen). Эти «ступени бытия» – уровни внутри биологического – служат критерием различения живых объектов. Многоклеточный организм (растение, животное, гриб) отличается от одноклеточного, ибо имеет внутри себя дополнительные уровни организации (тканевый, организменный – чуть ниже мы приведём наш вариант шкалы этих уровней).

Любой единичный биологический объект (клетка бактерии, цветущее растение, обезьяна бонобо и др.) представляет собой сложно организованную систему, состоящую хотя бы из нескольких уровней, из числе приведённых ниже. Ситуация несколько напоминает русскую матрёшку, в которой находятся более маленькие матрёшки. Разные авторы, кроме упомянутого критерия «части и целого», вводят различные другие критерии вычленения уровней (размер, сложность организации и др.), предпочитают выделять разные уровни в качестве главных. Были предложены разнообразные конкретные схемы уровней живого, где выделяется от 4 до 8 (например, см. Кремянский, 1969; Сетров, 1971; Miller, 1978; Miller, Miller, 1993) уровней. Ниже мы приводим свою схему, как бы представляющую общий знаменатель взглядов различных авторов:

1. Молекулярный (молекулярно-биологический). Молекулы, которые служат строительными блоками биосистем (роль белков, полисахаридов и других крупных органических молкул – биополимеров), носителями наследственной информации (нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК), сигналами для коммуникации (часто малые органические молекулы), формами запасания энергии (в первую очередь АТФ) и др.

2. Субклеточный (внутриклеточный). Сложенные из молекул микроструктуры (мембраны, органеллы и др.), входящие в состав живой клетки.

3. Клеточный. Уровень имеет особое значение, так как клетка (в отличие от отдельной молекулы или органеллы) есть элементарная единица жизни. Многие особи всю жизнь существуют в виде одной клетки – одноклеточные. У многоклеточных клетки не расходятся, а образуют единый организм. Например, человеческий организм состоит примерно из 10 15 клеток.

4. Органно-тканевый уровень. Принцип «матрешки» работает и дальше. У многоклеточных существ однотипные клетки формируют ткани, из которых состоят органы растений (лист, стебель и др.) и животных (сердце, печень и др.).

5. Организменный уровень. Целое живое существо (заметим, что у одноклеточных форм жизни, например, простейших, бактерий, понятия клеточный и организменный уровни тождественны друг другу). В рамках этого уровня рассматриваются не только специфические структуры и функции того или иного живого организма, но и поведение биологических индивидов, гамма их взаимоотношений между собой, что ведет к формированию надорганизменных (биосоциальных) систем. Здесь мы видим переход к еще более высоким – надорганизменным – уровням организации

6. Популяционный уровень. Уровень группировок особей одного вида (популяций).

7. Экосистемный (биоценотически-биогеоценотический) уровень. Уровень сообществ многих видов организмов, формирующих единую локальную систему (биоценоз), причем часто в рассмотрение включаются также окружающая организмы среда (ландшафт и др.); в этом случае вся система называвется экосистемой (биогеоценозом).

8. Биосферный уровень. Соответствует всей совокупности живых организмов планеты, рассмотренной как целостная система (биосфера, биос в терминологии Агни Влавианос-Арванитис).

Это общий очерк уровней живого, классификация которых значительно различается у разных исследователей, которые привносят в уровневые классификации свои специфические интересы. Более того, новые научные открытия время от времени вводят в обиход новые, ранее не признававщиеся уровни. Пример: исследования лабораторий В.Л. Воейкова и Л.В. Белоусова на биологическом факультете МГУ, вслед за более ранними работами Н.Г. Гурвича позволили предположить наличие еще одного уровня биоса (между молекулярно-биологическим и субклеточным) – уровня молекулярных ансамблей. Подобные ансамбли (например, молекула ДНК) уже обладают многими “живыми” свойствами, такими как память, активность, целостность (когерентность).

В предлагаемой ниже таблице обозначены важнейшие характеристики уровней организации живого и их социальные приложения. В принципе каждый из основных уровней организации биосистем имеет биополитически важные аспекты. Каждый уровень допускает достаточно плодотворные аналогии и экстраполяции, дающие пищу для ума для исследователей человеческого социума с его политическими системами.

Таблица. Уровни организации живого и их биополитическое значение

Уровни организации	Биополитически важные аспекты
Молекулярно-биологический	Биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки и др.). Молекулярная генетика. Генетика поведения человека. Психогенетика. Генное разнообразие человечества. Расы. Генетические технологии
Клеточный, органно-тканевый (внутриорганизменный)	Регуляторные факторы. Межклеточная коммуникация. Нейромедиаторы. Гормоны. Функционирование нервной системы и ее блоков (модулей). Нейрофизиология психики и поведения.
Организменный, популяционный (биосоциальный)	Поведение вообще. Социальное поведение и его политические аспекты. Биосоциальные системы. Иерархические и горизонтальные (сетевые) структуры. Политическая система с биосоциальной (биополитической) точки зрения.
Экосистемный, биосферный	Разнообразие экосистем. Охрана био-окружения как задача биополитики. Экологический мониторинг. Экосистемы внутри человеческого организма (микробиота) и их роль в поддержании соматического, психического и социального здоровья людей.

На молекулярно-биологическом уровне биополитический интерес представляют так называемые шапероны (от англ. chaperon – пожилая дама, сопровождающая молодую девушку) – белковые молекулы, которые обеспечивают функционально правильную укладку других молекул (например, ферментов). Представляется, что самоорганизующиеся политические движения современности, в том числе всякого рода сетевые структуры (см. о них 5.7 ниже) должны находиться под влиянием некоторых помогающих организаций-«шаперонов», которые направляли бы их деятельность в разумное русло. Создание аналогичных «шаперонов» на уровне целого государства, которые бы направляли демократический процесс по наиболее конструктивному руслу, не отнимая у участников этого процесса простор для деятельности, а только создавая им оптимальные условия, в том числе и в плане жизненных потребностей людей (осуществляя «биополитику» в понимании М. Фуко) – вот, по мысли автора данной книги, «рациональное зерно» политического термина управляемая демократия.

На клеточном уровне несомненную ценность представляет предложенное Р. Вирховым в XIX в. (см. 1.1) сравнение тканей в составе многоклеточного организма с «клеточными государствами», а закономерностей роста и деления клеток – с социальными нормами поведения граждан в государстве. Сравнение целого организма с политической системой – базисная аналогия для организмического подхода в социологии и политологии (см. Франчук, 2005а, б).

Однако наибольшее значение для биополитики имеет сопоставление биосистем на их популяционном уровне с объектами политологии. Взаимодействие индивидов в составе биосоциальных систем в сопоставлении с политическими системами человеческого общества будет основной темой четвертой и пятой глав настоящей книги.

Интерес представляют, впрочем, и еще более высокие уровни организации биосистем. Например, представляя генетически единый биологический вид, человечество тем не менее состоит из различных культур (с разными нормами поведения). С известным правом человечество в культурном плане можно рассматривать как аналог многовидовой ассоциации (биоценоза).

Именно из клеток состоят все организмы. В то же время сами клетки оказываются осо-быми биосистемами, имеющими особые свойства и существующими по своим специфическим законам.

Примечательно, что ряд свойств клетки как единицы особого уровня организации живой материи, возник путём слияния и взаимодействия свойств предыдущего — молекулярного уровня .

Из различных молекул сформированы все компоненты клетки, и в клет-ке протекают все биохимические реакции между молекулами простых и слож-ных химических соединений. Поэтому многие свойства клетки зависят от мо-лекулярного уровня — состава его компонентов и их роли в клетке. Например, молекулы ДНК несут в себе генетический код, определяющий управление процессами синтеза в клетке.

Однако следующий, вышестоящий, уровень организации живой мате-рии (организменный уровень) тоже оказывает влияние на свойства биосис-темы клеточного уровня. Например, клетки обладают свойствами, обуслов-ленными выполнением тех или иных функций в организме: клетки нервной ткани по строению и свойствам отличаются от клеток выделительной или покровной ткани.

Примеры показывают, что свойства одного структурного уровня жизни влияют на системы более высокого уровня, но и сами зависят от него. Однако то и другое проявляется в некоторых свойствах уровня, но не отражает их полностью, по-скольку каждому уровню присущи свои особые свойства. Если на молекулярном уровне можно рассматривать процесс синтеза ДНК, репликацию, то на клеточ-ном уровне значение этих процессов проявляется в жизнедеятельности клетки.

• обмен ве-ществ (метаболизм);
• поглоще-ние и, следовательно, включе-ние различных химических элементов Земли в содержи-мое живого;
• передача наследст-венной информации от клетки к клетке;
• накопление измене-ний в генетическом аппарате в результате взаимодействия со средой;
• реагирование на раз-дражения при взаимодействии с внешней средой.

Таким образом, клетка, появившись в процессе эволюции миллиарды лет назад, приобрела характер биосистемы, представляющей жизнь. В течение по-следующих многих миллионов лет клетка не только усложнилась, но и, создав специализированные ткани, оказалась способной жить и активно функциони-ровать в составе многоклеточных организмов, оставаясь основной структур-ной единицей жизни. Клетки многоклеточного организма, как и свободно живущей клетки, осуществляют размножение, передачу в этом процессе своей наследственной (генетической) информации, замену в тканях отмерших кле-ток новыми и тем самым обеспечивают длительность жизни организма.

Вопросы по этому материалу:

1.05. Уровни организации биосистем

Вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий снова всё заимствованное назад мертвой природе.
С.Н. Виноградский. Лекция перед императорской семьей 8 декабря 1896 г.

Экология рассматривает взаимосвязи со средой обитания живых систем: организмов, популяций, экосистем, биосферы. Чтобы разобраться в разнообразии этих биосистем, необходимо рассмотреть само понятие «система». Оно происходит от греческого systema - составленное из частей; соединение. По одному из самых простых, но вполне пригодных для данного случая определений система есть упорядоченное целое, состоящее из взаимосвязанных частей .

Аристотелю, «отцу всех наук», принадлежит афоризм: «целое больше суммы своих частей». Что он имел в виду? Ясно, что в некоторых случаях (например, при сложении) целое как раз и является суммой своих частей! Например, вес компьютера в точности равен весу всех его комплектующих. Но обладают ли комплектующие компьютера, взятые по отдельности, способностью обрабатывать данные, преобразовывать и воспроизводить изображения, принимать и передавать информацию? Естественно, эти качества детали компьютера приобретают, только будучи соединены определенным образом. Именно поэтому, давая определение системы, мы подчеркнули, что она является упорядоченным целым.

Итак, свойства систем можно разделить на две группы: те, которые являются суммой свойств ее частей, и те, которые возникают у системы, как у единого целого. Назовем эти свойства. Аддитивные свойства системы (лат. additio - прибавление) являются суммой свойств ее частей. Качественно новые свойства системы называются эмергентными (лат. emergere - всплывать, появляться). Зачастую английское прилагательное «emergent » передают по-русски как «эмерджентный», что не соответствует сложившейся традиции передачи буквы «g » в терминах: мы ведь говорим и пишем «ген», а не «джен», несмотря на английское «gen »!

Биологические системы организованны иерархически, и на каждом уровне осуществляется регуляция, использующая сходные принципы. В конце XX века получил развитие системный подход, идущий от Людвигу фон Берталанфи. Он основан на том, что системы, состоящие из сходно взаимосвязанных частей, имеют сходные целостные (эмергентные) свойства.

Сравнивая системы разного уровня, можно увидеть между ними много общего, а можно и найти черты специфичности каждого из уровней. Осмысление этих закономерностей вылилось в концепцию структурных уровней организации биосистем , которая начала развиваться в 30-х годах XX века, а окончательно сложилась в 60-х годах. Так, принято выделять следующие уровни организации биосистем: молекулярный - (генный) - (субклеточный) - клеточный - (органно-тканевой) - (функциональных систем) - организменный - популяционный - биогеоценотический - биосферный. В приведенном списке уровни, взятые в скобки, можно считать относительно менее важными, чем уровни без скобок.

Различные уровни биосистем следует выделять потому, что каждый из уровней характеризуется свойствами, отсутствующими на нижележащих уровнях. Универсальный перечень уровней организации биосистем составить невозможно. В зависимости от того, какие биосистемы и с какой точки зрения изучаются, надо выделять больше или меньше уровней, на каждом из которых возникают какие-то эмергентные свойства. Целесообразно выделять такое число уровней, чтобы каждому из них были присущи свойства, изучение которых на нижележащем и вышележащем уровнях невозможно. Полное изучение системы должно включать также изучение вышестоящих- и нижележащих систем («надсистем» и подсистем).

Так, демографическая структура популяции отсутствует на уровне отдельного организма, а феномен человеческого сознания отсутствует на уровне отдельных структур мозга. Феномен жизни возникает на клеточном уровне, а феномен потенциального бессмертия - на популяционном. Организм является единицей естественного отбора. Специфика биогеоценотического уровня связана с составом его компонентов и круговоротом веществ (сопровождающимся потоками энергии и информации), а биосферного уровня - с замкнутостью круговоротов веществ. Примеры эмергентных свойств некоторых биосистем приведены в таблице 1.5.1.

Таблица 1.5.1. Примеры биосистем различных уровней и их эмергентных свойств

Уровень	Пример	Эмергентные свойства
Молекулярный	Молекула белка	Обладает характерной конформацией, способна к выполнению определенных функций в клетке
Клеточный		Обладает основными свойствами живых систем: способна к обмену веществ, размножению и т.д. У одноклеточных обладает свойствами организма, у многоклеточных предназначена для выполнения определенной функции
Органно-тканевой	Нейронная сеть	Управляет клеточной жизнедеятельностью (делением, обменом веществ, функциональной активностью). Способна к обработке информации и выполнению определенных кибернетических функций
Организменный		Является единицей естественного отбора: как целое гибнет или выживает и размножается. Обладает индивидуальностью, возникающей в результате онтогенеза
Популяционный	Популяция раздельнополых организмов	Обладает потенциальным бессмертием и способностью к эволюции. Характеризуется определенной половозрастной, пространственной, генетической, иерархической структурой
Биогеоценотический	Биогеоценоз	Способен к развитию (сукцессии), осуществляет частично замкнутый круговорот веществ
Биосферный	Биосфера	Осуществляет замкнутые биогеохимические циклы (с учетом обмена веществом с космосом и земными недрами). Регулирует некоторые свойства планеты (гипотеза Геи). Способна к биосферной эволюции

Выделение надорганизменных структурных уровней биосистем может производиться по двум различным принципам. С экологической (функционально-энергетической) точки зрения, популяция является частью биогеоценоза, а он - частью биосферы. Этот подход в основном соответствует экологическому определению популяции. С филетической (связанной с филами - эволюционными ветвями), т.е. генетико-эволюционной точки зрения, популяция является частью вида и надвидовых таксонов (что соответствует генетическому подходу к определению популяции, см. пункт 4.1).

Основными биологическими системами является клетка, организм, популяция, вид, экосистема, биогеоценоз, биосфера. Формирование и обобщения знаний о биосистемы можно организовывать в таких аспектах, как структурная организация, функциональная организация и основные свойства.

Структурная организация биосистемы - это имеющийся упорядоченное состояние существования составных частей системы. Анализ структурной организации осуществляется с помощью метода классификации - многоступенчатого, последовательного разделения исследуемой системы с целью получения новых знаний о ее построения, состав, связей. Описание структуры биосистемы - это выделение элементов (подсистем, компонентов) биосистемы, которые будут исследоваться, то есть проведения морфологического анализа. Поскольку биосистемы являются открытыми,

через них проходят потоки вещества, энергии и информации и они испытывают постоянного воздействия внешней среды, в структуре биосистем целесообразно выделять биотических и абиотических компонентов.

Функциональная организация биосистемы - это слаженное функционирование взаимосвязанных составных частей системы. Изучение функциональной организации осуществляется путем определения функций, которые каждый из выделенных элементов (подсистем, компонентов) выполняет в исследуемом целостном процессе, то есть проведение функционального анализа.

Основные свойства биосистем выражают сущность системы в отношениях с другими системами, поэтому для определения свойств следует установить закономерные взаимосвязи, которые формируются между выделенными элементами (подсистемами, компонентами) в условиях их функционирования как целостности, то есть провести структурный анализ.

Клетка - элементарная биологическая система, основная структурная и функциональная единица живого, которая способна к саморегуляции, самообновлению и самовосстановлению. Структурная организация. Основными компонентами клетки является поверхностный аппарат, цитоплазма и ядро (нуклеоид), которые построены по определенным подсистем и элементов. Существуют два типа организации клеток - прокариотических и эукариотический. Базовым уровнем организации для клеток является молекулярный уровень. Функциональные связи. Любая функция клетки является следствием согласованной работы всех ее частей и компонентов. Организация и функционирование всех компонентов клетки связаны прежде всего с биологическими мембранами. Внешние взаимосвязи между клетками происходят путем выделения химических веществ и установления контактов, а внутренние между элементами клетки обеспечиваются гиалоплазмы. Большинство клеток многоклеточного организма специализируются на выполнении одной главной функции. Основные свойства. Клетке присущи такие же свойства, как другим биосистемы, но они будут отличаться проще характеру осуществления. Клетка является элементарной биосистемой, поскольку именно на уровне клеток проявляются все свойства жизни. Определяются эти свойства структурно-функциональной организацией биомембран, цитоплазмы и ядра.

Организм - открытая биологическая система, которая благодаря системам регуляции и приспособительным механизмам может сохранять свою целостность и упорядоченность и относительно самостоятельно существовать в определенной среде жизни. Структурная организация. У одноклеточных и колониальных организмов - клеточный уровень организации, многоклеточные организмы объединяют клеточный, тканевый, органный и системный уровне, благодаря чему организменный уровень организации живых систем является самым разнообразным из всех других. Элементарной структурно-функциональной единицей организмов является клетка. Функциональные связи: а) поскольку в осуществлении определенной жизненной функции участвуют клетки, ткани, органы, системы органов, то данная функция будет иметь более сложный и совершенный характер; 6) специализация составных частей организма на выполнении определенной функции делает их зависимыми от других частей, поэтому вместе с дифференциацией идут процессы интеграции, благодаря которым между частями формируются внутренние связи (физиологические, генетические, нервные, гуморальные и др.), Обусловливающих подчинения их организма как целостной системе. Основные свойства. Поскольку в свойствах объекта отображается его внутренняя структурно функциональная сущность, то делаем вывод об осложнениях и разнообразия основных свойств организмов (например, размножение может быть бесполым, половым и вегетативным).

Популяция - генетически открыта биологическая система, группа вильносхрещуваних между собой особей одного вида, проживающих длительное время на определенной территории и относительно изолированы от других таких же групп. Структурная организация. Организмы делятся на группы в зависимости от возраста, пола, распределения в пространстве, особенностей поведения и т.д., что позволяет выделять, соответственно, возрастную, половую, пространственную, Этологические структуру популяций. Этот раздел обусловливает выделение таких внутришньопопуляцийних подразделений, как екоелементы, биотипы. Элементарной структурной единицей популяций является организмы. Функциональные связи. Разная структура популяций обусловливает различные взаимосвязи между организмами (например, репродуктивные, трофические, топические, этологические и др.), Что позволяет им достаточно часто образовывать содружественные формирования (например, семьи, стаи, стада, колонии) для совершенного осуществления жизненных функций. Основные свойства зависят от таких признаков популяций, как численность, рождаемость, смертность, прирост, биомасса, плотность, которые в значительной степени формируются под влиянием условий существования организмов популяций. Каждая популяция как целостная система обладает механизмами саморегуляции, самообновлению и самовосстановлению особей, входящих в нее, поэтому в пределах популяций существуют сложные системы сигналов, которые определяют поведение одной особи относительно другой.

Вид - совокупность популяций особей, которым свойственны: а ) морфофизиологической сходство; б ) свободное внутривидовой скрещивания; в ) образования плодовитого потомства; г ) несхрещуванисть с другими видами; д ) общая территория обитания - ареал; е ) приспособленность к условиям существования в пределах ареала; есть ) общее происхождение. Структурная организация. В пределах ареала вида выделяют следующие основные внутривидовые структуры: подвиды, екотипы и популяции. Элементарной структурной единицей вида является популяции. Функциональные связи: а) реализация жизненных функций на уровне вида осуществляется отличными организмами, индивидуальные особенности которых обеспечиваются ненаследственной и наследственной изменчивостью; б) большое значение приобретает внутривидовая конкуренция, влечет естественной отбор; в) расширяются внешние экологические связи с абиотической, биотических и антропогенным средой. Основные свойства. Основным критерием, определяющим специфичность свойств вида, является генетическое единство разнообразия внутри вида и репродуктивная изоляция (несхрещуванисть) от других видов, что делает вид генетически закрытой системой. Единство разнообразия обеспечивает высокую степень устойчивости и адаптивности, что делает вид основной формой организации живой материи.

Экосистема - совокупность организмов разных видов и среды их обитания, связанные обменом вещества, энергии и информации. Биогеоценоз - определенная территория с однородными условиями существования, населенная организмами различных видов, соединенных между собой средой обитания коловращением веществ и потоком энергии. Структурная организация. В рамках биосистем этого ранга выделяют биотический (биоценоз ) и абиотической (биотоп ) компоненты, связанные между собой коловращением веществ. Элементарной структурной единицей есть виды, которые образуют группировки. Функциональные связи: а) функционирование биосистемы в целом обеспечивают "внутренний" биологический круговорот веществ и "внешние" потоки вещества, энергии и информации; б) связи между популяциями биоценоза могут быть очень разнообразными (прямыми и косвенными; симбиотических, нейтральными и антибиотическими; трофическими и топическими), но важнейшими являются трофические и энергетические. Основными свойствами является целостность, открытость, устойчивость, саморегуляция и самовоспроизведению.

Биосфера - единственно глобально экосистема высшего порядка, состав, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов. Структурная организация: а) биотический компонент представлен живым веществом - совокупностью организмов нашей планеты; б) абиотический компонент включает химические составляющие и физические условия геологических оболочек: атмо-, гидро- и литосферы; б) элементарной структурно-функциональной единицей является биогеоценозы. Функциональные связи: а) био- и геокомпонентив связаны между собой коловращением веществ в виде биогеохимических циклов, важнейшими свойствами которых является открытость и замкнутость; б) основными функциями живого вещества в биосфере является окислительно-восстановительная, концентрационная и газовая. Основные свойства определяются свойствами живого вещества.