Т.А. Акимова, A.П. Кузьмин, В.В. Хаскин
Экология. Природа - Человек - Техника
Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.
Глава 3. Биота биосферы
3.1. 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 и их 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.
|