Основные свойства живых систем
Для понимания структуры и функционирования экологических систем представляется целесообразным сформулировать наиболее общие свойства живых систем клеточного и организменного уровней организации в терминах физической картины мира. Во 2-й главе уже кратко перечислены основные свойства живых систем. Это - структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации. Здесь мы рассмотрим, с помощью каких условий и механизмов реализуются основные свойства живых систем.
Живой может быть названа динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную и сигнальную информацию с целью самосохранения. Информация возникает в результате взаимодействия потока энергии с материализованной программой. Программы могут создавать только биологические системы. Молекулярная информация - это совокупность сигналов, передаваемых специфическими молекулами. Сигналом относительно элемента системы является физическое или химическое воздействие, изменяющее функционирование этого элемента. Активное восприятие и преобразование информации означает опережающее (охранительное) реагирование на внешнее воздействие и связанное с ним изменение системы. В руководствах по биологии оно обычно определяется как свойство раздражимости. Сохранительное реагирование может быть реализовано несколькими способами: избеганием неблагоприятного воздействия, оборонительной реакцией, регенерацией, самовоспроизведением. Для восприятия и преобразования сигналов, обеспечивающих реакции и самосохранение системы, необходимы следующие условия:
1. Система должна иметь относительно устойчивую структурную организацию. Основой структурной организации подавляющего большинства биологических систем как индивидуумов является строение биологических макромолекул, надмолекулярное устройство клеток и клеточное строение многоклеточных организмов.
2. Наличие запаса концентрированной энергии, которая может быть использована для восприятия сигналов, реагирования на них и сохранения структуры. В живых системах эта энергия заключена в определенных химических связях органических веществ.
3. Для освобождения энергии в биосистеме и обращения ее в физиологическую работу нужны вещества, которые снижают потенциальные барьеры химических реакций (катализаторы) и трансформируют выделившуюся химическую энергию в физиологическую работу. Эти функции обеспечиваются ферментами.
4. В структурах, выполняющих информационную функцию, закодированы программы считывания и реализации информации. Существует два рода таких программ: а) программы самовоспроизведения, копирующего биосинтеза (генетическая память); они закодированы в молекулярной структуре нуклеиновых кислот - ДНК и РНК; б) программы оперативного реагирования - индивидуального поведения (сигнальная память); они записаны в системах рефлекторных структур, включающих чувствительные элементы и управляющие устройства.
5. Поскольку большинство сигналов в живой системе передается особыми молекулами, воспринимающие их клеточные структуры - рецепторы - должны обладать свойством молекулярного узнавания. На молекулярном узнавании основаны важнейшие биологические процессы: активность ферментов, репликация ДНК, биосинтез белка, самосборка надмолекулярных структур, взаимодействие антиген - антитело, химическая рецепция (вкус, обоняние) и др.
6. При каждой реакции в живой системе расходуется какая-то часть энергоносителей и каркасных структур. Для их возобновления и сохранения целостности необходим приток веществ и энергии из окружающей среды - питание. В процессах метаболизма - обмена веществ и энергии внутри биосистемы объединены и уравновешены взаимосвязанные процессы анаболизма (ассимиляции) - уподобляющего синтеза веществ, и катаболизма (диссимиляции) - распада сложных соединений на простые с освобождением энергии.
7. Постепенное накопление в каждой отдельной живой системе необратимых структурных изменений ограничивает ее существование во времени. Поэтому клетка, организм стремятся к самовоспроизведению, не ожидая, пока возникнет угроза их жизни. Наличие программы воспроизведения в виде ДНК и ее большая стабильность по сравнению с другими структурами биологической системы обусловливают свойство наследственности. Наследственность не абсолютна, она так же, как и живая система в целом, обладает изменчивостью под влиянием случайных спонтанных или индуцированных изменений в генетическом аппарате - мутаций.
8. Наследуемые изменения иих отбор под действием факторов среды обусловливают генетические адаптации, видообразование и увеличение биологического разнообразия. Они тоже могут рассматриваться как опережающие реакции, но уже на надорганизменном уровне, со стороны экологических систем: если изменяются условия жизни, то разнообразие видов обеспечивает большую вероятность сохранения жизни за счет форм, относительно лучше приспособленных к новым условиям. Это обусловливает процесс биологической эволюции.
Перечисленные свойства лежат в основе единства и разнообразия живых систем. В живой природе практически бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания немногих структурных единиц. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Только на 6 элементов - О, Н, С, N, S, Р - приходится в среднем почти 99% состава органики всех живых существ от вирусов до человека. Эти элементы называют биогенными. Их соединения образуют несколько десятков природных мономеров - аминокислот, нуклеотидов, Сахаров и других органических веществ, различные сочетания которых, в свою очередь, дают уже огромное число индивидуальных биополимеров.
Многочисленность и разнообразие природных биологических форм хорошо известно. В настоящее время на основании морфологических и биохимических различий надежно идентифицировано более 1,7 млн видов организмов. Но за счет большого числа неидентифицированных низших форм (микроорганизмов, грибов, червей, членистоногих) фактическое общее число видов может быть в 3-5 раз больше. В литературе часто фигурирует размах числа видов на планете от 5 до 30 млн и используется порядок величины 107. В пределах вида или популяции, даже не считая отличий по полу, возрасту, фазе развития, по-своему разнообразны и отдельные организмы. А их на планете очень много: по некоторым оценкам от 1026 до 1030.
При всем биологическом разнообразии оно, тем не менее, во много раз меньше, чем в принципе могло бы быть, исходя из возможного числа молекулярных сочетаний. По подсчетам М.Эйгена (1971) число изомеров одной молекулы ДНК кишечной палочки составляет примерно 101000000. В то же время число атомов во всей видимой Вселенной имеет порядок «всего» 1080. В сравнении с числом изомеров только одной молекулы величина разнообразия молекул, известных науке, представляется совершенно «ничтожной» - не более 108. Это относится не только к химическим соединениям: на всех структурных уровнях организации материи, включая биологический, реализована ничтожная часть возможных комбинаций. А это означает, что каждый биологический вид, более того, каждое живое существо в высокой степени уникально. Оно должно обладать редчайшим набором свойств, с помощью которых организм уравновешивается со множеством действующих на него сил окружающей среды.