Обмена в живых системах

Живая система, как и любая иная природная система, под­чиняется законам термодинамики. Элементы живого организ­ма (да и всех. живых систем вообще) постоянно разрушаются и строятся вновь. Этот процесс носит название биологического обновления. Для его обеспечения требуется непрекращающий­ся приток извне вещества и энергии, а также вывод во вне­шнюю среду части продуктов биохимических процессов, вклю­чая тепло. Таким образом, любые функционирующие организ­мы обязательно являются неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Благодаря потокам вещества и энергии, проходящим через эти системы, они являются также неравновесными. Если условия существования системы неизмен­ны, то указанные потоки постоянны. В этом случае нерав­новесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динамическим равновесием).

Подобно тому, как в термодинамике равновесных систем особым состоянием является равновесное состояние, в тер­модинамике неравновесных систем особую роль играют стационарные состояния.Для живых систем, которые всегда не­равновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает следующее:

1) в течение времени жизни системы ее элементы посто­янно подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;

для компенсации возникающей в результате распада не­ упорядоченности в системе совершается работа в форме про­цессов синтеза элементов взамен распавшихся; эта работа обуславливает отрицательную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.

Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыслить факт наличия высокой организации в живых системах. Но механизм поддержания такой упорядоченности можно раскрыть, лишь привлекая представления теории управления и кибернетики (науки об управлении и передаче информации в машинах, живых организмах и социальных структурах)

В живой системе реализуется механизм самоуправления и самоорганизации на основе непрерывного обмена информацией с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим орга­низмом реакций, направленных на максимальное его при­способление к изменяющимся условиям. Самоорганизация - это процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне. Са­моорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей между ее элементами.

Самоуправление в живых системах и цели, которые оно преследует, имеют многоуровневый характер, а между уров­нями существует подчиненность (иерархия). Цель первого порядка — обеспечить существование системы. Она достига­ется поддержанием неравновесного стационарного состояния. После достижения этой цели живая система осуществляет под­держание постоянства параметров внутренней среды — гомеостаз (цель второго порядка). Гомеостаз является необходимым условием высокого качества функционирования системы. Цель третьего порядка — достижение оптимальных в данных условиях показателей существования живой системы, в частности максимальной энергетической эффективности и надежности ее функционирования.

Важнейшим информационным аспектом в функциониро­вании живых систем является наличие в них так называемых обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации.

Положительные обратные связи осуществляют такой тип регулирования, который уводит состояние живой системы от первоначального, и играют роль «усилителей» процессов жизнедеятельности. Такого рода связь существует между неограниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида жи­рных и их численностью. Наличие одной лишь такой связи привело бы к постоянному росту численности данного вида. Отрицательные обратные связи, наоборот, служат для под­ержания стабильной ситуации в живой системе. Они обеспечивают, например, оптимальную численность популяций в биоценозе, стабильную температуру организма и т.д.

Информационные связи в организме осуществляются по нескольким каналам. Гормональная связь носит химический характер. Гормон — химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стимулятора определенных процессов в организ­ме; с кровотоком поступает во все сферы организма, но дей­ствует избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волокнам информационных импульсов, подключающих необходимые органы к переработке и восприятию информации. Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяционно-видовом уровне и осуществляется посредством генов.

Роль генетического материала

В воспроизводстве и эволюции живых

Организмов

Генный механизм передачи наследственной информации изучается генетикой. Успехи генетики обусловили раскрытие механизма воспроизводства и эволюции жизни на молекулярном уровне. Истоком генетики считают открытие Г. Менделем в 1865 г. корпускулярной природы наследственности. В 1909 г В. Иогансен ввел основополагающие термины генетики (ген генотип и др.) и придал модели Менделя четкую форму, вто время понятие «ген» не связывалось с каким-то материаль­ным объектом клетки; ген обозначал просто единицу наследственного отличия. Отождествление гена с частью хромосом было осуществлено позже американским биологом Т. Морга­ном. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую природу генов, как части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых обра­зует генетический код. Расшифровка структуры генетического кода показала его триплетность, однозначность и универсаль­ность.Триплетность кода означает, что каждая из 20 амино­кислот зашифрована последовательно — кодоном — из трех нуклеотидов. Универсальность означает, что код един для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны ко­дируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организмов.

Важнейшей составляющей процесса развития любого орга­низма является воспроизводство в клетках по определенному шаблону веществ и структур, необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма. Она в закодированном виде содержит полную ин­формацию для построения белка из запасенного клеткой орга­нического материала. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК.Первая хранит генети­ческую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержа­щую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и _строить из них белковые молекулы.

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: реплика­ции, транскрипции, трансляции. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клет­ки. Транскрипция представляет собой перенос кода ДНК пу­тем образования одноцепочечной информационной молеку­лы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная мо­лекула РНК — это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходи­мых для выполнения одной функции. Далее происходит транс­ляция — синтез белка на основе генетического кода информа­ционной РНК.

Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток — свойство ДНК самокопироваться и строго равноцен­ное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две совершенно идентичные.Так как каж­дая клетка многоклеточного организма происходит от одной из зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.

В настоящее время перед наукой открылась возможность не только изучать генетический механизм, но и влиять на саму наследственность на молекулярном уровне. Эту возможность реализует новое направление молекулярной биологии — ген­ная инженерия, разрабатывающая методики целенаправлен­ного манипулирования информационными макромолекулами живых систем.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже, бла­годаря вмешательству в конструкцию ДНК, были изменены качества десятков пород животных и сортов растений, многие из которых внедрены в сельскохозяйственное производство. Например, уже используются сорта генетически модифицированного картофеля, устойчивые против бича карто­фельных плантаций — колорадского жука. Необходимо отметить, что пока не ясны возможные отдаленные последствия употребления в пищу сельхозпродуктов, полученных с исполь­зованием генной инженерии.

Есть и другие направления практического использования генетики. Так, оказалось, что с помощью генетической экс­пертизы можно с чрезвычайно высокой точностью устанавливать родство конкретных людей, выполнять иденти­фикацию останков погибших людей. Эти возможности на­ходят широкое применение в повседневной юридической практике.

Сразу же после своего возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных направлений прикладной биологии, но также источником совершенно но­вых и глубоких этических, моральных и юридических про­блем.

Одним из ярких примеров такого рода проблем является вопрос о морально-этической оценке опытов по так называ­емому клонированию (созданию точной генетической копии) живых организмов. В связи с намеченными в США на перс­пективу исследованиями клонирования человека этот вопрос перерос в конце 1997 — начале 1998 г. в острую правовую проблему, носящую к тому же международный характер. В январе 1998 г. в Париже 19 европейских государств подписа­ли протокол соглашения о запрете на клонирование человека. В перечне участников соглашения по разным причинам не оказалось ряда стран с высокоразвитой генетикой. В том числе — Великобритании (здесь впервые было практически осуществлено клонирование животного, и эта страна не хо­тела бы утратить свои приоритетные позиции в данном на­правлении естествознания), а также США, Германии, Рос­сии.

Какие научные факты