Понятие эмерджментности живых систем
Эмерджментность (англ. emergence – возникновение, появление нового) в теории систем - наличие у какой – либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект».
В биологии и экологии понятие эмерджментности можно выразить так: одно дерево – не лес, скопление отдельных клеток – не организм. Например, свойства биологического вида или биологической популяции не представляют собой свойства отдельных особей, понятие рождаемость, смертность, неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции или виду в целом.
В эволюционистике эмерджментность выражается как возникновение новых функциональных единиц системы, которые не сводятся к простым перестановкам уже имеющихся элементов.
КРИТЕРИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ
1.Единство химического состава.В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д.
В живых организмах 97,4% химического состава приходится на шесть элементов – органогенов: углерод (20%), водород (10%), кислород (62%), азот (3%), фосфор (1,0%), сера. В живых телах эти элементы участвуют в образовании сложных органических молекул, распространение которых в неживой природе принципиально иное, как по количеству, так и по существу. Подавляющее большинство органических молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеятельности организмов. В живом веществе существует несколько основных групп органических молекул, характеризующихся определенными специфическими функциями и в большинстве своем представляющих собой регулярные полимеры. Во – первых, это нуклеиновые кислоты - ДНК и РНК, свойства которых, обеспечивают явления наследственности и изменчивости, а также самовоспроизведение. Во – вторых, это белки – основные структурные компоненты и биологические катализаторы. В – третьих, углеводы и жиры – структурные компоненты биологических мембран и клеточных стенок, главные источники энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. И, наконец, огромная группа «малых молекул», принимающих участие в многочисленных и разнообразных процессах метаболизма в живых организмах.
Узнать сколько серы
2. Симметрия и ассиметрия живого. В композиции частей тела сложных живых организмов, в строении их органов характерно сочетание симметрии и ассиметрии. Такое неравенство «правизны» и «левизны» проявляется не только на уровне организмов, выражаясь в их строении и динамике, оно проявляется и на молекулярном уровне. Пространственную организацию живых молекул характеризует ассиметрия «левого» и «правого» в группировке атомов. При этом форме с «правосторонней» группировкой соответствует зеркальная ей «левостронняя» форма (рис.2). В молекулах живых систем имеются только «левосторонние» формы. Так, например, молекулы белка живой материи состоят только из «левосторонних» аминокислот. Эта особенность до сих пор не получила общепризнанного объяснения. Однако считается, что такое сочетание симметрии и ассиметрии обеспечивает приспособительные реакции организмов, разнообразие движений и функций, необходимых для их выживания. В неживой природе нет различий между «правым» и «левым», она симметрична.
рис.2 Лево – и правосторонняя форма аминокислоты
3. Хиральность молекул живого- одно из фундаментальных свойств живой материи. Это способность к стереоспецифической комплементарной репродукции. С позиции физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо в зависимости от конкретного соединения. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L – конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо, т.е. обладают правой или D – конфигурацией.
Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью (хираль - рука), что означает понятие ассиметрии (ассиметрия - отсутствие у объекта свойства быть зеркально симметричным).
4. Энергозависимость и открытость живых систем.Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» системами понимают динамичные, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя в виде пищи из окружающей среды.
5. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние: например смыв почвы, превращение воды в пар или лед.
В отличие от обменных процессов в неживой природе у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы превращения веществ – процессы синтеза и распада. Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществом живого организма и из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом.
Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции,в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют энергетическим обменом. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма.
Следует отметить, что живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками. Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и внешней средой, сводят к минимуму потери вещества и поддерживают пространственное единство живой материи.
6. Авторегуляция и гомеостаз.Авторегуляция–это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать относительно динамическое постоянство и свойств внутренней среды живой системы–гомеостаз.
При этом недостаток поступления каких – либо питательных веществ мобилизирует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной, эндокринной и некоторых других. Сигналом для включения той или иной регулирующей системы может быть изменение концентрации какого – либо вещества или состояния какой – либо системы.
7. Самовоспроизведение.Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря самовоспроизведению, или репродукции жизнь вида не прекращается. На организменном уровне самовоспроизведение проявляется в виде бесполого или полового размножения особей. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей. Размножение – это свойство живых организмов воспроизводить себе подобных. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК.
Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.
Наследственность – это способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК и воспроизведением ее химического строения (редупликацией) с высокой точностью.
Изменчивость –свойство живых организмов приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
8. Каталитический характер химии живого. В основе жизнедеятельности живого лежит ферментативный катализ. Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента.
9. Способность к росту и развитию.Расти – значит увеличиваться в размерах и массе с сохранением общих черт строения. Рост сопровождается развитием. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным и историческим развитием. На протяжении индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов.Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате исторического развития (филогенеза) возникло все многообразие живых организмов на Земле.
10. Раздражимость -неотъемлемая черта, присущая всему живому; она является выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения. Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие. Благодаря свойству раздражимости организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды.
11. Дискретность и целостность – Само слово дискретность произошло от латинского «discretus», что означает прерывистый, разделенный. Дискретность - всеобщее свойство материи. Каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу, простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т.д.
Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных (прерывистых) форм. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство, таким образом, живая система является целостной. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые в свою очередь состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т.д. вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.
12. Единый принцип структурной организации.Все живые организмы, к какой бы систематической группе они ни относились, имеют клеточное строение. Клетка является структурно – функциональной единицей, а также единицей развития всех обитателей Земли.
13. Ритмичность.Периодические изменения в окружающей среде оказывают глубокое влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. Ритм – это повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того же состояния через равные промежутки времени. Под ритмичностью живых систем понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и многие другие.
Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.
Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь попадая в клетки другого организма и используя его ферментативные системы. Поэтому, в зависимости от того, какой признак живого мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Вопросы для повторения:
1. В чем заключается системность живого?
2. Какие качества присущи живой системе?
3.Какова иерархическая организация живого?
4.В чем заключается единство химического состава живого?
5.В чем заключается симметрия и ассиметрия живого?
6.В чем заключается хиральность молекул живого?
7.В чем заключается энергозависимость и открытость живых систем?
8.В чем заключается обмен веществ и энергии живых систем?
9.В чем сущность самовоспроизведения?
10.Что такое гомеостаз?
11. В чем заключается каталитический характер химии живого?
12.В чем заключается способность к росту и развития?
13.В чем раздражимость живой материи?
14.В чем заключается дискретность и целостность живой материи?
15.В чем заключается единый принцип структурной организации живой материи?
16.В чем заключается ритмичность живой материи?
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖИВОГО
Сейчас известны более ста химических элементов. В состав клетки входят около 70 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, встречающихся в неживой природе, из которых состоят химические соединения живой клетки (таблица 1).
Таблица 1
Содержание в клетке химических соединений
(в % на сырую массу)
| Химические соединения | % |
| Вода | 75 – 85 |
| Белки | 10-20 |
| Жиры | 1-5 |
| Углеводы | 0,2 – 2,0 |
| Нуклеиновые кислоты | 1 – 2 |
| Низкомолекулярные органические соединения | 0,1 – 0,5 |
| Неорганические вещества | 1,0 – 1,5 |
Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов, их вклад в образование веществ, составляющих живой организм, и в какой – либо объект неживой природы резко отличается.
Основу живых систем составляют шесть элементов, получивших название органогенов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4 %. За ними следует 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем. Это натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, йод, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6 %. Можно назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узко специализированных биосистем. Ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомные водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т.д. Их доля в организмах составляет около 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. Это говорит о том, что в процессе биогенеза (развития жизни) на Земле, шел отбор химических элементов в результате самоорганизации. Понятие самоорганизации отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной организации.
Картина собственно химического мира тоже весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно всего около восьми миллионов химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96 %) – это органические соединения, основной строительный материал которых – все те же 6 – 18 элементов. И как это ни парадоксально, из всех остальных 95 – 99 химических элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.
Столь резкая диспропорция между едва обозримым множеством органических соединений и каким – то минимумом составляющих их органогенов, так же как и исключительно дифференцированный отбор того же минимума элементов для построения живых систем, нельзя всецело объяснить факторами различной распространенности элементов в Космосе и на Земле. В Космосе вообще безраздельно господствуют лишь два элемента – водород и гелий, тогда как все остальные элементы можно рассматривать только как примесь к ним.
На Земле наиболее распространены железо, кислород, кремний, магний, алюминий, кальций, натрий, никель, тогда как углерод занимает 16 место. В атмосфере Земли углерода не более 0,01 весового процента, в океанах – около 0,002, в литосфере – 0,1. Углерод в литосфере Земли распространен в 276 раз меньше, чем кремний, в 88 раз меньше, чем алюминий, и даже в 6 раз меньше, чем относительно редкий титан. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Распространенность же углерода, азота, фосфора и серы в поверхностных слоях Земли примерно одинакова, и в общем невелика – всего около 0,24 весовых процента.
Следовательно, геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем. Определяющими факторами здесь выступают требования соответствия между строительным материалом и теми сооружениями, о которых выше говорилось как о структурах высокоорганизованных.
С химической точки зрения эти требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во – первых, достаточно прочных и, следовательно, энергоемких химических связей и, во – вторых, связей лабильных, т.е. легко подвергающихся гемолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод избран, или отобран, из многих других элементов как органоген № 1. Этот элемент действительно отвечает всем требованиям лабильности. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.
Атомы углерода:
1. в одном и том же соединении способны выполнять роль акцептора, и донора электронов;
2. они образуют почти все типы связей, какие знает химия: а)менее чем одноэлектронные и одноэлектронные (например, при хемосорбции углеводородов на графите); б) двухэлектронные (например, в этане);в) трехэлектронные (в бензоле); г) четырехэлектронные (С=С); д)шестиэлектронные (С= С) со всевозможными промежуточными значениями зарядов связей. Это одна из причин их активности.
3. среди углерод – углеродных связей можно встретить чисто ковалентные, почти чисто ионные и ионоидные с самыми различными значениями энергии связей.
4. обладает способностью связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул;
5. обладает способностью связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обеспечивают химическую активность органических соединений;
6. функциональные группы атомов углерода (если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность к образованию высокомолекулярных соединений;
7. обладают возможностью существования в виде ассиметричного (хирального) центра – одна из причин хиральности молекул живого.
Кислород и водород нельзя считать, столь же лабильными элементами, их скорее следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств – окислительных и восстановительных. Такие элементы, как азот, сера и фосфор, и некоторых элементов составляющих активные центры ферментов, например, железа, магния, то они подобно углероду отличаются также особой лабильностью. Рассматривая вопрос об отборе элементов, Джон Бернал отмечает что, лабильные атомы серы, фосфора и железа, которые претерпевают большие изменения в неорганическом мире, имеют основное значение в биохимии, в то время как стабильные атомы, такие как алюминий, кремний, натрий, составляющие большую часть земной коры играют второстепенную роль в биохимии.
Следует подчеркнуть то обстоятельство, что внутримолекулярное или внутрикомплексное взаимодействие атомов, таких элементов, как C, N, S, P, H, O, Fe, Mg создает исключительное богатство химических связей. Сюда относятся и сопряжённые связи, обуславливающие еще более высокой p электронной проводимостью. Сюда относятся относительно слабые, так называемые макроэргические связи в соединениях типа аденозинтрифосфата и одновременно очень слабые водородные связи.
О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать довольно трудно. Но этот процесс оставил нам своего рода музей. Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов да 10 – 15 других элементов отобраны природой, чтобы составит основу биосистем, так и в результате эволюции шел тщательный отбор и химических соединений.
Из миллиона органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.
Исследователи – как химики, так и биологи – называют поразительным тот факт, что из такого узкого круга отобранных природой органических веществ составлен трудно обозримый мир живой материи.
В зависимости от того, в каком количестве входят химические элементы в состав веществ, образующих живой организм, принято выделять несколько групп атомов. Первую группу (около 98 % массы клетки) образуют четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами.
К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента: фосфор и сера, калий и натрий, кальций и магний, железо и хлор. Например, Na, К и Cl обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Са и Р участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани, определяя прочность кости. Кроме того, Са – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Наконец, Мg в клетках растений включен в хлорофилл – пигмент, обусловливающий фотосинтез, а у животных входит в состав биологических катализаторов – ферментов, участвующих в биохимических превращениях.
Все остальные элементы содержатся в клетке в очень малых количествах. К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящих в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 до 0,000001 %; в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Общий их вклад в массу клетки составляет всего 0,02 %. Поэтому их называют микроэлементами. Однако это не означает, что они меньше нужны организму, чем другие элементы. Цинк, например, входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов, а йод – необходимый компонент тироксина – гормона щитовидной железы, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма в целом и его рост в процессе развития, кобальт находится в составе витамина В12, медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах.
Все перечисленные химические элементы участвуют в построении организма в виде ионов либо в составе тех или иных соединений – молекул неорганических и органических веществ. Например, углерод, водород, кислород входят в состав углеводов и жиров. В состав белков к ним добавляются азот и сера, нуклеиновых кислот – азот и фосфор. Эти элементы получили название биогенных. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии. От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.