ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Живые системы – результат длительной эволюции материи во вселенной – таков главный принцип всеобщего эволюционизма, сформулированный И. Р. Пригожиным и его сотрудниками. Следовательно, живая и неживая природа представляет собой лишь различные этапы всеобщего глобального процесса эволюции. В своей материальной основе они едины. Об этом говорит и тот факт, что у живых систем тот же атомарный состав, что и у неживых. В своих фундаментальных процессах живые системы подчиняются тем же физическим законам, что и неживые. И в то же время, живые системы специфичны, отличны от неживых как в организации материи, так и в основных процессах, протекающих в этих системах.
Живая материя
Как уже указывалось, на атомарном уровне живые и неживые системы не отличаются. Различия начинаются на молекулярном уровне.
Хотя все современные живые системы нашей планеты в результате миллиардов лет эволюции произошли из неживого, они резко отличаются от объектов физики – неживых систем. К фундаментальным признакам живых систем относится их молекулярный состав, для которого характерно присутствие белков и нуклеиновых кислот, т.е. макромолекул, состоящих их апериодически соединенных субъединиц и поэтому превосходящих по своему разнообразию весь мир живых существ. Макроскопичность означает, что любая биологическая система содержит большое число атомы. Если бы этого не было, строгая упорядоченность системы легко бы нарушалась. Макроскопичность на молекулярном уровне выражается в том, что сложные полимерные молекулы объединяются и образуют в клетках и организмах надмолекулярные комплексы: четвертичная структура белка (гемоглобин), двойная цепочка молекулы ДНК, нуклеопротеиды и т.д. Жизнь проявляется лишь в надмолекулярных системах.
Гетерогенность живых систем, на которую указывает М. В. Волькенштейн, на химическом уровне означает построение их из различных веществ (углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и т.д). Есть и другие уровни гетерогенности:
- в клетке – различные органоиды;
- в организме – клетки, ткани, органы, функциональные системы органов;
- в надорганизменных объединениях – особи, популяции с их сложной структурой, сообщества и, наконец, биосфера.
Важнейшие процессы, присущие живым объектам
Живыми называются такие системы, которые способны сами синтезировать вещества своего тела (автаркия – от греч. Самоудовлетворение по В. И. Вернадскому), самостоятельно поддерживать и увеличивать свою очень высокую степень упорядоченности. В клетках и организмах постоянно синтезируются и расщепляются макромолекулы. В системах надоргнаизменного уровня также происходит преобразование химических веществ, от фотосинтеза до редукции, по трофическим связям. Таким образом «живое состояние – это в первую очередь не структура, а процесс». Структура живых систем не стабильна. В них происходит постоянно обновление. В химии описываются стабильные системы, в которых может быть достигнуто динамическое равновесие концентрации вещества. Это возможно, если поток реагентов, вступающих в реакцию, равен оттоку продуктов реакции.
В живых системах подобные процессы много сложнее и получили общее название – метаболизм или обмен веществ. Подобные процессы происходят не только в клетке ил организме, но и в сообществах. Поэтому все биологические системы трактуются как стационарные. Для них характерен гомеостаз – поддержание постоянства внутренней среды системы.
Такого рода процессы делают необходимыми наличия различных механизмов использования внешних источников энергии (свет, органические молекулы).
Раздел физики, изучающий условия превращения тепловой энергии в системах различного типа, называется термодинамикой.
Через живые системы проходят потоки вещества и энергии, поэтому они в термодинамическом отношении являются открытыми системами.
Будучи зависимыми от внешней среды, биологические системы в то же время отграничены от нее. Их внутренняя среда отличается от внешней. Этому способствуют различные структуры, затрудняющие обмен. Они также сводят к минимуму потери веществ. Эта обособленность или индивидуализация начинается на клеточном уровне (мембрана) и продолжается на организменном (покровные ткани). Сообщества разграничиваются не столь явно. У них существует пространственная и временная изоляция.
Многообразие метаболитических реакций делает необходимым разграничение внутреннего пространства система – компартментализацию. Процессы обмена веществ регулируются с помощью ферментов (биологический катализ).
Сохранение живой системы возможно лишь в том случае, если в ходе метаболизма синтезируются не любые макромолекулы, а специфические, присущие данной системе. Это возможно лишь при наличии матриц, особых веществ, несущих информацию о структуре будущих молекул, а через низ – признаки. Такими свойствами обладают нуклеиновые кислоты. С их помощью осуществляется матричный синтез.
Таким образом, матрицы обеспечивают процесс воспроизведения состава и свойств биосистем. Они и сами способны к самоудвоению (репликации), т. е. к самовоспроизведению.