Какими свойствами обладает организм как целостная система

Главная страница
Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Современное понимание сложных самоорганизующихся систем включает представление о том, что в них четко определены каналы и способы передачи информации. В этом смысле живой организм – вполне типичная самоорганизующаяся система.

Информацию о состоянии окружающего мира и о внутренней среде организм получает с помощью датчиков-рецепторов, использующих самые разнообразные физические и химические конструктивные принципы. Так, для человека наиболее важной считается зрительная информация, которую мы получаем с помощью наших оптико-химических датчиков – глаз, которые являются одновременно сложным оптическим прибором с оригинальной и точной системой наведения (адаптации и аккомодации), а также физико-химическим преобразователем энергии фотонов в электрический импульс зрительных нервов. Акустическая информация поступает к нам через причудливый и тонко настроенный слуховой механизм, превращающий механическую энергию колебания воздуха в электрические импульсы слухового нерва. Не менее тонко устроены датчики температуры, тактильные (осязательные), гравитационные (чувство равновесия). Наиболее эволюционно древними считаются обонятельные и вкусовые рецепторы, обладающие огромной избирательной чувствительностью

по отношению к некоторым молекулам. Вся эта информация о состоянии внешней среды и ее изменениях поступает в центральную нервную систему, которая выполняет несколько ролей одновременно – базы данных и знаний, экспертной системы, центрального процессора, а также функции оперативной и долговременной памяти. Туда же стекается и информация от рецепторов, расположенных внутри нашего тела и передающих информацию о состоянии биохимических процессов, о напряжении в работе тех или иных физиологических систем, об актуальных потребностях отдельных групп клеток и тканей организма. В частности, есть датчики давления, содержания углекислого газа и кислорода, кислотности различных биологических жидкостей, напряжения отдельных мышц и многие другие. Информация от всех этих рецепторов также направляется в центр. Сортировка поступающей с периферии информации начинается уже на этапе ее приема – ведь нервные окончания различных рецепторов достигают центральной нервной системы на разных ее уровнях, и соответственно информация попадает в различные отделы ЦНС. Тем не менее вся она может быть использована в процессе принятия решения.

Решение необходимо принимать тогда, когда ситуация по каким-то причинам изменилась и требует соответствующих реакций на системном уровне. Например, человек проголодался – об этом сообщают в “центр” датчики, регистрирующие усиление тощаковой секреции желудочного сока и перистальтики желудочно-кишечного тракта, а также датчики, регистрирующие понижение уровня глюкозы в крови. В ответ рефлекторно усиливается перистальтика желудочно-кишечного тракта и увеличивается секреция желудочного сока. Желудок готов к приему новой порции пищи. При этом оптические датчики позволяют видеть на столе продукты питания, а сопоставление этих образов с хранящимися в базе данных долговременной памяти моделями подсказывает, что есть возможность замечательно утолить голод, получив при этом удовольствие от вида и вкуса потребляемой пищи. В этом случае ЦНС отдает распоряжение исполнительным (эффекторным) органам осуществить необходимые действия, которые в конечном счете приведут к насыщению и устранению исходной причины всех этих событий. Таким образом, цель системы – устранить своими действиями причину возмущения. Достигается эта цель в данном случае сравнительно легко: достаточно протянуть руку к столу, взять лежащие там продукты и съесть их. Однако ясно, что по этой же схеме можно построить сколь угодно сложный сценарий действий.

Голод, любовь, семейные ценности, дружба, кров, самоутверждение, тяга к новому и любовь к красоте – этим коротким перечнем почти исчерпываются побудительные мотивы действия. Порой они обрастают огромным количеством привходящих

психологических и социальных сложностей, тесно переплетаясь между собой, но в самом базальном виде остаются все теми же, заставляя человека совершать действия будь то во времена Апулея, Шекспира или в наше время.

Действовать – а что это означает с точки зрения системы? Это означает, что центральный процессор, подчиняясь заложенной в него программе, учитывая все возможные обстоятельства, принимает решение, т.е. строит модель потребного будущего и вырабатывает алгоритм достижения этого будущего. На основании этого алгоритма отдаются приказания отдельным эффекторным (исполнительным) структурам, причем практически всегда в их составе есть мышцы, и в процессе выполнения приказа центра осуществляется движение тела или его частей в пространстве.

А раз осуществляется движение, – значит, выполняется физическая работа в поле земного тяготения, а следовательно, расходуется энергия. Разумеется, работа датчиков и процессора тоже требует энергии, однако энергетический поток многократно возрастает, когда включаются мышечные сокращения. Стало быть, система должна позаботиться об адекватном снабжении энергией, для чего необходимо усилить активность кровообращения, дыхания и некоторых других функций, а также мобилизовать доступные запасы питательных веществ.

Любое повышение метаболической активности влечет за собой нарушение постоянства внутренней среды. Значит, должны активизироваться физиологические механизмы поддержания гомеостаза, которые тоже, между прочим, нуждаются в значительных количествах энергии для своей деятельности.

Будучи системой сложно организованной, организм имеет не один, а несколько контуров регуляции. Нервная система – это, вероятно, главный, но отнюдь не единственный регуляторный механизм. Весьма важную роль выполняют эндокринные органы – железы внутренней секреции, которые химическим путем регулируют деятельность практически всех органов и тканей. В каждой клетке организма есть, кроме того, и своя внутренняя система саморегуляции.

Следует подчеркнуть, что организм представляет собой открытую систему не только с термодинамической точки зрения, т.е. он обменивается с окружающей средой не только энергией, но также веществом и информацией. Вещество мы потребляем главным образом в виде кислорода, пищи и воды, а выделяем в виде углекислоты, испражнений и пота. Что касается информации, то каждый человек является источником зрительной (жесты, позы, движения), акустической (речь, шум от перемещения), тактильной (прикосновения) и химической (многочисленные запахи, которые прекрасно различают наши домашние животные) информации.

Еще одной важнейшей особенностью системы является конечность ее размеров. Организм не размазан по окружающей среде, а имеет определенную форму и компактен. Тело окружено оболочкой, границей, отделяющей внутреннюю среду от внешней. Кожа, выполняющая эту роль в организме человека, – важный элемент его конструкции, поскольку именно в ней сконцентрированы многие датчики, несущие информацию о состоянии внешнего мира, а также и протоки для выведения из организма продуктов обмена и информационных молекул. Наличие четко очерченных границ превращает человека в особь, чувствующую свою отдельность от окружающего мира, свою уникальность и неповторимость. Это психологический эффект, возникающий на основе анатомического и физиологического устройства организма.

Главными уровнями организации жизни являются ген, живая клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз). Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлении о естественном отборе. В результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание, своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в данных конкретных условиях среды. В случае изменения условий выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками и т.д.

Роль среды, т.е. физических факторов, в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений. Эта среда получила название абиотической, а ее составляющие (вода, воздух и др.) и факторы (температура и пр.) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотических компонентов, представляющих собой живое вещество. Взаимодействуя с абиотическими компонентами, биотические компоненты образуют определенные функциональные системы. Так, в результате взаимодействия с веществом и энергией абиотических компонентов гены как биотические компоненты образуют генетические системы, а сообщества соответственно образуют экосистемы (Ю. Одум). Указанные биосистемы (генетические системы, клеточные системы, системы организмов, популяционные системы, экосистемы), представляющие собой целостное объединение биотических и абиотических компонентов, характеризуются различными уровнями биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем.

Свойства каждого уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Более того, свойства каждого уровня невозможно объяснить, исходя лишь из свойств отдельных компонентов его более низких уровней. Такое наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, называют эмерджентностью.

В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как биотической, так и абиотической. Биологическим видом называют совокупность сходных особей, которые, тем не менее, как индивидуумы отличаются друг от друга. При этом всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже состоящих в близком родстве, т.е. объединенных в один род.

Поскольку каждая отдельная особь имеет свои специфические особенности, то и реакция их на изменение состояния среды различна. Так, часть особей данного вида может не выдержать повышения температуры, и погибнет, но популяция всего вида выживает за счет других, более приспособленных.

Популяция – это совокупность особей одного вида. Генетики в качестве обязательного условия обычно добавляют в определение популяции способность этой совокупности к самовоспроизведению.

Биоценоз – это совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных. Термин “биоценоз” впервые использовал К. Мебиус (1877). Эта совокупность популяций обычно рассматривается ограниченной некоторым географическим пространством, сочетание абиотических факторов которого (воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы) называют биотопом.

Компоненты биотопа не просто существуют рядом с биоценозом, но активно взаимодействуют между собой и с живыми организмами биоценоза, создавая определенную биологическую систему, названную В. Н. Сукачевым биогеоценозом. В такой системе, по Сукачеву, совокупность абиотических и биотических компонентов имеет “… свою, особую специфику взаимодействий” и “определенный тип обмена веществом и энергией между собой. Представления В. Н. Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии – научного направления в биологии, изучающего проблемы взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической средой.

Введенное Сукачевым понятие биогеоценоза фактически эквивалентно предложенному в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли понятию экосистемы. Экосистема, по Тенсли, – это “совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов окружения, т.е. факторов местообитания в широком смысле”. Подобные определения имеют место и у других известных экологов, в частности, у Ю. Одума.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические (пищевые) взаимоотношения организмов. Все организмы делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы для своего существования используют неорганические вещества, создавая органическую материю из неорганической. К автотрофным относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, синезеленые водоросли и др.

Гетеротрофные организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные, человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику, называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей – паразитами.

Поскольку организмы разнообразны по видам и формам питания, они вступают между собой в сложные трофические взаимоотношения. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют ее в неорганическую форму.

Продуцентами называются производители продукции, которой затем питаются все остальные организмы. К продуцентам относятся наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы – это потребители органических веществ. К ним относятся как животные, употребляющие только растительную пищу, – травоядные, так и питающиеся только мясом других животных – плотоядные (хищники), а также и всеядные (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) – это восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO2 , NO2 и H2O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально являются теми же самыми консументами, поэтому их часто называют микроконсументами.

Микроорганизмы, бактерии и другие более сложные формы в зависимости от среды обитания подразделяют на аэробные, т.е. существующие при наличии кислорода, и анаэробные – живущие в бескислородной среде.

Организм – это любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация, обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма, т.е. самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост и развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования – адаптация.

Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (гены, клетки, органы). Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора, те или иные органы получают приоритетное развитие. Примером может являться мощная корневая система у растений засушливой зоны, чрезвычайная зоркость у ночных хищников или, наоборот, “слепота” в результате редукции глаз у животных, ведущих подземный образ жизни в постоянной темноте.

Живые организмы обладают обменом веществ (метаболизмом), при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание или фотосинтез, посредством которого зеленые растения аккумулируют энергию солнечного излучения. В процессе фотосинтеза за счет солнечной энергии происходит следующая химическая реакция:

,

где – молекула глюкозы.

Некоторые микроорганизмы, бактерии, способны синтезировать органические соединения за счет других компонентов, например, за счет соединений серы. Такие процессы называют хемосинтезом.

Обмен веществ в организме происходит при участии особых макромолекулярных белковых соединений – ферментов, играющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в организме контролируется специальным ферментом, содержание которого в свою очередь контролируется определенным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Процессы метаболизма регулируются не только ферментами, но также и другими макромолекулярными соединениями – коферментами, частным случаем которых являются витамины. Витамины жизненно необходимы для осуществления метаболических реакций всех организмов – бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов приводит к нарушению обмена веществ и, как следствие, к заболеванию.

Наконец, для ряда метаболических реакций необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных органах и доставляются в другие места организма кровотоком либо посредством диффузии.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего процесса его индивидуального развития. Этот процесс индивидуальной эволюции организма от зарождения и до смерти называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т.е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее к их специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). При бесполом размножении – с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т.п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную) и послезародышевую (постэмбриональную) стадии, а также период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйца, а у живородящих – рождением. Важное биологическое и экологическое значение для ряда животных имеет первоначальный этап постэмбрионального развития, протекающий либо по типу прямого развития (цыпленок – курица), либо по типу метаморфоза. Во втором случае развитие происходит вначале в форме личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (головастик – лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т.д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формирование взрослого организма) и старение (ослабление биосинтеза, всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафит) и полового (гематофит) поколений.

Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового, теплового и др. загрязнений среды, что может привести к появлению уродств или даже к гибели индивида на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития – филогенеза. Последний термин ввел Э. Геккель в 1866 г. Для целей экологии необходима реконструкция эволюции животных, растений и микроорганизмов. Этими вопросами занимается филогенетика.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма задается сформулированным Э. Геккелем биогенетическим законом: онтогенез всякого организма представляет собой краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида.