Концепция самоорганизации и биологической эволюции

Суть 2-го закона термодинамики в том, что в природе изначально существует фундаментальная асимметрия, неравновесие в распределении вещества и поля (энергии), поэтому самопроизвольно все физические процессы (движение материи) направлены к достижению равновесного состояния.

Система - это совокупность элементов, связанных определенными отношениями и взаимодействующих по определенным законам композиции. Вся совокупность структурных и функциональных отношений и взаимодействий составляет организацию системы.

ОБЗОР ОСНОВНЫХ КОНЦЕПЦИЙ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ.

1. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ:

все живые объекты являются системами разного уровня сложности. Биологические системы образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

В первой половине 20 века была создана общая теория систем. Основным ее

автором является австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи (1901-1972);

Согласно общей теории систем все объекты природы и общества являются

системами.

Организация системы, как правило, иерархична, то есть имеет несколько соподчиненных уровней. Живые объекты - типичные системы, имеющие структурную и функциональную упорядоченность, то есть определенную

организацию и иерархию.

В категориях философии понятия «элемент» и «система» соотносятся как

часть и целое. Общефилософский закон определяет, что целое больше суммы его

частей. Это означает, что совокупность и взаимодействие частей (элементов) создает у целого (системы) некоторые новые качества, отсутствующие у исходных частей (элементов). Такие новые качества, свойства определяются как эмерджентные свойства системы (в буквальном смысле - вновь появляющиеся, непредвиденные свойства). В случае с биологическими системами эти новые качества представляют собой разные проявления жизни. Сама жизнь – это эмерджентное, качественно новое свойство, появляющееся на определенном уровне системной организации.

Теоретически системы могут быть открытыми или закрытыми (ну вообще-то закрытых не бывает)))) - в

зависимости от того, открыты или закрыты они для обмена с внешней средой

веществом, энергией и информацией.

Таблица 1

Уровни и подуровни организации живых систем

Уровни	Подуровни
Молекулярно-генетический	Органическая молекула Макромолекула, в том числе ген Макромолекулярный комплекс, в том числе вирус Органоид клетки
Онтогенетический	Клетка Ткань Орган Организм
Популяционно-видовой	Популяция Вид
Биогеоценотический	Сообщество, биоценоз Биогеоценоз Биосфера

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КОНЦЕПЦИИ 1

1. Все объекты природы являются системами.

2. Живые системы имеют разную степень сложности - от молекул до биосферы - и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации.

3. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики.

4. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам - появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи.

2. КОНЦЕПЦИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ:

жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

МЕХАНИЦИЗМ И ВИТАЛИЗМ В ИСТОРИИ БИОЛОГИИ. ЖИВАЯ МАТЕРИЯ И ЕЕ ОСНОВНАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ. ОБМЕН

ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ЖИВОЙ СИСТЕМЕ. ТРАНСФОРМАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ. БЕЛКИ – СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ. ОПОРА И ДВИЖЕНИЕ. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (БИОКАТАЛИЗ). ЗАЩИТНЫЕ РЕАКЦИИ. ИММУНИТЕТ. СИГНАЛИЗАЦИЯ. ГОРМОНАЛЬНАЯ И НЕРВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ.

Опуская историю развития вопроса важно обсудить обмен веществ и энергии, а также свойство движения живых систем

Живая материя представляет особо сложное вещество и, соответственно, сложное многофакторное поле. Этот уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под движением

материи понимают ее постоянное развитие, изменение, преобразование вещества в поле и обратно.

Для понимания основной формы движения живой материи сначала необходимо усвоить важнейшее исходное понятие - 2-ой закон термодинамики.

Это означает переход материи из упорядоченного, структурированного состояния, когда есть сгустки и разреженные участки вещества и поля, к диффузному, гомогенному распределению вещества и поля в пространстве.

В таком диффузном состоянии материя имеет минимальную свободную энергию - энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию - рассеянную долю энергии, не способную к совершению работы.

Сформулированное 2-ое правило термодинамики полностью справедливо и для живой материи, которая в основе подчиняется законам физики и самопроизвольно

стремится к распаду, к равновесному состоянию с минимальной свободной энергией и максимальной энтропией. Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной, структурированной, высоко упорядоченной. В ней имеется свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна.

Такое состояние поддерживается за счет притока внешней энергии и ее трансформации в энергию химических связей макромолекул. Концентрация вещества и поля, то есть повышение внутренней свободной энергии материи происходит в процессе разнообразных биосинтезов (образования сложных веществ из простых), сопряженных с поглощением внешней энергии. Это и есть жизнь -противоположность смерти

Рис. 4. Термодинамические процессы в живой материи.

Таким образом, с точки зрения оценки закономерностей движения энергии и вещества:

Жизнь - это специфическая форма движения материи (кругооборот материи, обмен веществ и энергии) с поддержанием упорядоченного неравновесного состояния (с высокой свободной энергией и низкой энтропией) за счет поглощения и трансформации внешней энергии;

Жизнь - это поддержание высокой упорядоченности (низкой энтропии) в среде

с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией);

Жизнь препятствует росту энтропии;

Жизнь - это синтез вещества и поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КОНЦЕПЦИИ 2

1. Жизнь материальна;

2. Физико-химическую основу жизни составляет обмен веществ и энергии.

3. Движение есть всеобщее свойство материи - это способ её существования.

4. Жизнь - это особенная форма движения особенно сложно устроенной материи, качественно отличная от форм движениянеорганической материи.

3. КОНЦЕПЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЖИЗНИ. ОНТОГЕНЕЗ:

живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ - ВАЖНЕЙШЕЕ СВОЙСТВО ЖИЗНИ. ОБЩАЯ СХЕМА ОНТОГЕНЕЗА. ПРЕФОРМИЗМ И ЭПИГЕНЕЗ В ИСТОРИИ ЭМБРИОЛОГИИ. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП ОРГАНИЗМА. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК И РАЗМНОЖЕНИЕ КЛЕТОК. ФОРМЫ РАЗМНОЖЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ. КЛОНИРОВАНИЕ. РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КОНЦЕПЦИИ 3

1. Самовоспроизведение и индивидуальное развитие - неотъемлемое свойство и способ существования организмов.

2. Индивидуальное развитие организма детерминировано («преформировано») на уровне генетической информации, в молекулах ДНК, в генах.

3. Развитие находится под многосторонним эпигенетическим контролем и управлением. Единство генетических и эпигенетических факторов развития можно трактовать как единство преформизма и эпигенеза

4. КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ:

системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

САМОРЕГУЛЯЦИЯ И ГОМЕОСТАЗ. ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ. САМОРЕГУЛЯЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА. САМОРЕГУЛЯЦИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КОНЦЕПЦИИ 4

1. Саморегуляция и поддержание устойчивого состояния - гомеостаз -обязательное свойство любых живых систем

2. Регулируется и поддерживается относительное постоянство физико-химических параметров на всех иерархических уровнях живого.

3. В основе поддержания гомеостаза лежит универсальный принцип

обратной отрицательной связи.

4. В то же время живые системы всех уровней направленно и необратимо изменяются, самоорганизуются, что составляет сущность их развития.

5. Направленное изменение биосистемы противоположно гомеостазу, оно происходит на основе обратных положительных связей.

ФИЛОГЕНЕЗ. ПРОБЛЕМА САМООРГАНИЗАЦИИ И НАУКА СИНЕРГЕТИКА. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ. СОВРЕМЕННОЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ. ФАКТОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА.

Теоретическое объяснение и математическую модель процессов самоорганизации диссипативных систем. Диссипативные системы - способные к поглощению и диссипации (рассеиванию) энергии и поддерживающие за этот счет свою собственную структуру и самоорганизацию структур предложил бельгийский физико-химик И. Р. Пригожин, получивший в 1977 г. за эту работу Нобелевскую премию.

основные положения синергетики объясняющие механизм самоорганизующихся процессов (от греческого synergos – совместно

действующий) - наука о самоорганизации физических, биологических и социальных систем.

1. Самоорганизующаяся система должна быть открытой - доступной для

обмена веществом, энергией и информацией с внешней средой.

2. Система должна быть неравновесной, то есть находиться достаточно далеко

от точки термодинамического равновесия (точка дезорганизации с максимальной

энтропией), так как вблизи этой точки наступает необратимое скатывание к

равновесному состоянию.

3. Образование нового порядка через флуктуации. В системе всегда возникают

флуктуации - случайные отклонения от среднего положения. По законам

саморегуляции они устраняются, но при достаточной неравновесности системы за счет свободной энергии отклонения усиливаются, наступает момент бифуркации - переломная точка в развитии системы, за которой возможно устойчивое отклонение от прежнего состояния. Прежний порядок исчезает, возникает и закрепляется новый порядок элементов в системе.

4. Самоорганизация ведет к новому порядку согласно принципу обратной положительной связи, по которому отклонения в системе не устраняются, а напротив, закрепляются и усиливаются.

5. Самоорганизация ведет к нарушению симметрии - структура и свойства системы до и после точки бифуркации не симметричны, то есть различаются в следствие необратимости процессов развития.

6. Самоорганизация возможна при некотором критическом количестве

элементов в системе, достаточном для возникновения их кооперативного поведения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО КОНЦЕПЦИ 5

1. Живой мир возник на планете Земля вскоре после ее формирования - около 3,5 млрд лет тому назад - в результате самоорганизации из неживых химических систем.

2. С тех времен живые организмы в составе популяций, сообществ, биогеоценозов претерпевают необратимое историческое развитие - филогенез.

3. Основными движущими силами биологической эволюции являются наследственная изменчивость и естественный отбор популяций организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.

4. Биологическая эволюция совершается параллельно и взаимообусловленно с геологической перестройкой Земли.

5. Сформированное биоразнообразие включает эволюционно молодые группы, а также и группы древние, создавшие такие виды, которые были способны выиграть борьбу за существование с новыми, более сложными организмами и занять свободные экологические ниши.

6. Поэтому на современной Земле благополучно сосуществуют и взаимодействуют в сложных биогеоценозах самые разные организмы - от бактерий и вирусов до высших растений и животных.

7. Человек тоже является продуктом биологической эволюции. Он относится к царству животных, типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству людей, роду человек. Все человечество на Земле – единый биологический вид - Homo sapiens, представленный многочисленными расами и подрасами, возникшими как адаптивные модификации в ходе географического расселения вида.

Дата добавления: 2014-01-05