Иерархия уровней организации живого

Оглавление

Введение  

 В современном научном познании особое значение приобретают общенаучные подходы. Они задают определенную направленность научного исследования, фиксируют определенный его аспект, жестко не указывая на специфику конкретных исследовательских средств. Такими подходами являются системный, структурный, функциональный, вероятностный, информационный и другие. Фиксируемый данными подходами аспект исследования ясен из самого названия. Он тесно связан с соответствующей общенаучной категорией (система, структура, функция, вероятность, информация), дающей представление о том, какая именно форма действительности прежде всего интересует исследователя В понятии подхода логически всегда акцентируется основное направление исследования, своеобразный "угол зрения" на объект изучения. Важнейшая черта названных подходов - принципиальная применимость к исследованию любых явлений и любой сферы действительности. Они могут работать во всех без исключения научных дисциплинах. Это обусловлено общенаучным характером категорий, лежащих в основании данных подходов.

В настоящее время широкое распространение получил системный подход, который и будет рассмотрен в данном реферате. Под системным подходом в широком смысле понимают метод исследования окружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования. Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства целостного образования (системы), отсутствующие у каждого из них в отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстаёт перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии.

Задачей данного реферата является рассмотрение системного подхода для объяснения жизни. В работе будут рассмотрены две главы. В первой - уровни организации  живых систем, их иерархия, а также методы изучения живых систем. А во второй - собственно, сам системный подход, на примере биологической эволюции Ч. Дарвина и физической Больцмана.

1. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ  ЖИВЫХ СИСТЕМ

1.1 Иерархия уровней организации живого

Жизнь на Земле представлена существами определенного строения, принадлежащими к определенной систематической группе, а также сообществами разной сложности. Каждое живое существо (индивидуум) обладает структурностью. По подходу к их изучению выделяется несколько уровней живых систем, находящихся во взаимосвязи и соподчинении.

Биолог фон Берталанфи на основе обобщения физических, в частности термодинамических, представлений разработал свою теорию биологических организмов, рассматривая организм как целостную сложную иерархическую систему. По существу, в применении к биологии он предложил и использовал метод системного анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея, что системная организация - основа точной биологии. Организм - пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.1

Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы. Н.В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный. молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный. Существует и другая градация: молекулярный, клеточный, тканевый, организменный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный. 2

1. Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки  жизни. На этом уровне обнаруживается  удивительное однообразие дискретных  единиц. Основу всех животных, растений  и вирусов составляют 20 аминокислот  и 4 одинаковых оснований, входящих  в состав молекул нуклеиновых  кислот. У всех организмов биологическая  энергия запасается в виде  богатой энергией аденозинтрифосфорной  кислоты (АТФ). Наследственная информация  у всех заложена в молекулах  дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК).

2. Клеточный уровень. Клетка  является основной самостоятельно  функционирующей элементарной биологической  единицей, характерной для всех  живых организмов. У всех организмов  только на клеточном уровне  возможны биосинтез и реализация  наследственной информации. Клеточный  уровень у одноклеточных организмов  совпадает с организменным. В  истории жизни на нашей планете  был такой период (первая половина  протерозойской эры ~ 2000 млн. лет  назад), когда все организмы находились  на этом уровне организации. Из  таких организмов состояли все  виды, биоценозы и биосфера в  целом.

3. Тканевый уровень. Совокупность  клеток с одинаковым типом  организации составляет ткань. Тканевый  уровень возник вместе с появлением  многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между  собой ткани. Большое сходство  между всеми организмами сохраняется  на тканевом уровне.

4. Органный уровень. Совместно  функционирующие клетки, относящиеся  к разным тканям, составляют органы. (Всего лишь шесть основных  тканей входят в состав органов  всех животных и шесть основных  тканей образуют органы у растений).

5. Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается  чрезвычайно большое многообразие  форм. Разнообразие организмов, относящихся  к разным видам, а также в  пределах одного вида, объясняется  не разнообразием дискретных  единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их  комбинаций, обеспечивающих качественные  особенности организмов. В настоящее  время на Земле обитает более  миллиона видов животных и  около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных  индивидуумов (организмы, особи), имеющих  свои отличительные черты.

6. Популяционнно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция – это недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов.

7. Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся  устойчивые сообщества популяций  различных видов, связанных между  собой и окружающей средой  обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический  круговорот, обусловленный жизнедеятельностью  организмов.

8. Биосферный уровень. Совокупность  биогеоценозов составляют: биосферу  и обуславливают все процессы, протекающие в ней.

Системно-структурные уровни организации живого определяются по выделенным специфическим взаимодействиям. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления. Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном уровне – клетка, на организменном уровне - особь, на популяционном уровне - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.3

Переход  от  одного  уровня  к  другому  происходит  скачкообразно,  дискретно,  в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физике представляют  собой  неравновесные  фазовые  переходы,  которым  в  синергетике соответствуют  бифуркации.  Механизм  перехода  в  понятиях  синергетики  реализуется через  хаотические  состояния,  и  через  него  реализуется  связь  разных  уровней организации.  В  точках  бифуркации  малое  случайное  изменение  может  привести  к сильному  возмущению  системы,  и  возникает фазовый  переход. В  таком  представлении гибель  живого  организма  можно  рассматривать  как  фазовый  переход «жизнь —  не жизнь».

Понятия  о  целом  и  части,  используемые  не  только  в  системном  анализе,  но  и  в философии, можно применять к физике живого, поскольку живым организмам присущи гармоническая иерархичность и целевая функция. Действительно, рассматривая  любые явления  и  свойства  живой  и  неживой  природы,  мы  обязательно  касаемся  проблемы целого  и  части —  все  наблюдаемые  объекты  являются  частями  более  общего  понятия целого и,  в  свою очередь,  состоят из  каких-то частей. Эти представления применимы  к эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в процессах  самоорганизации. Гармонизация  этих процессов в живых организмах и шире —  во  всей  природе  находит  свое  отражение  в  понятиях «ян»  и «инь»  восточной философии и в идее «золотого сечения».

1.2 Метод Фибоначчи как фактор гармонической самоорганизации

Математическим  обоснованием  гармонического  соотношения  частей  организма,  его соразмерности,  порядку  и  необходимому  организму  хаосу,  обусловленности пространственно-временного  и  функционального  взаимодействия  органов (например, человека и процессов в его организме) является метод Фибоначчи. На основе большого  количества  эмпирических  обобщений  было  установлено,  что  числа  ряда Фибоначчи нужно сопоставить с параметрами жизненных процессов. Оказалось, что  они  отражают  не  только  изменение  и  устойчивость  живого  организма,  но  и энергетический баланс, определяющий его развитие.

Числа Фибоначчи — элементы числовой последовательности 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, … в которой каждое последующее число равно сумме двух предыдущих чисел.4

Различие в процессах самоорганизации в неживых и живых системах, как отмечали И. Пригожин и И. Стенгерс, заключается в том, что молекулы неорганического мира, участвующие  в  сложных  химических  реакциях,  просты,  а  в  биологической самоорганизации,  наоборот,  реакции  просты,  а молекулы  укрупняются,  усложняются  и становятся макромолекулами. Это обусловлено  тем, что  структура реакций переходит в структуру  элементов —  молекул,  т.е.  процесс  закрепляется  в  структуре. Взаимоотношение между структурой и процессами отражает известный закон единства и борьбы противоположностей, закон единства сохранения и изменения сущности, который составляет  суть  развития  самоорганизующихся  систем.  И  здесь  третий  член  золотой пропорции  Фибоначчи  снимает  противоречие  между  сохранением (устойчивостью)  и изменением  через  развитие,  которое  включает  и  то  и  другое — состояние  и  процесс. Многие  физиологические  процессы  в  организме  человека,  гармонизируются  по «золотому  сечению» (методу  Фибоначчи),  Так,  биолог  В.  Д.  Цветков  из  Пущинского биологического  центра  установил,  что  оптимизация  артериального  давления  и  ритмов сердечно—сосудистой системы происходит по соотношению, «золотого сечения». 5

Ряд  Фибоначчи  становится  системообразующим  фактором  гармонической самоорганизации  живого  организма.  В  этом  смысле  эволюция —  не  просто  адаптация организма  к  внешним  условиям,  а  его  стремление  к  гармонии,  соразмерности  развития всего  организма  как  целого  и  функционирования  его  внутренних  органов  как  частей. Структурно-функциональная организация человеческого тела и его организма в процессе эволюции  отражает  эту  гармонию  по  методу  Фибоначчи  и  в  опыте  человечества. Рекурсивный (т.е.  возвратный:  каждое  последующее  число  ряда  Фибоначчи является суммой двух предыдущих) характер  этого  гармоничного  ряда  в  применении  к  живым  организмам позволяет учитывать память о предыдущих поколениях.

С  гармонией  развития  организма,  как  целого,  так  и  его  частей,  хорошо  согласуется универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой проблеме он отвергает возможность понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей организма:  определяя  более  точно  одну  сторону  живого  объекта,  мы  теряем определенность в понимании другой.

Согласно  этому же  принципу,  можно  высказать  и  парадоксальную  мысль:  познание жизни  и  сама жизнь  несовместимы! Например,  при  хромосомном  анализе  определения дозы  радиации,  полученной  человеком  давно (так  называемой  реконструированной дозы),  лазерный  луч  убивает  усики  хромосом,  тем  самым  убивает  саму  хромосому. Относительно живого организма как целостной системы В.А. Энгельгардт выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями:

— возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями;

— утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого;

—  появление  у  возникающего  целого  новых  свойств,  определяемых  свойствами основных частей и возникновением новых связей между частями.6

1.3 Физический и биологический методы изучения природы живого

Природу живого изучают многие науки, в  том числе биология и физика (на «стыке» этих  наук  и  возникла  биофизика).  Именно  при  исследовании  живых  систем  или  при использовании  живых  объектов  и  систем  в  экспериментах  выяснились  многие закономерности,  которые  стали  достоянием  и  предметом  изучения  точных  наук.  Так, работы итальянского физика Гальвани (1737— 1798) по исследованию свойств мышцы послужили  основанием  более  детального  изучения  электричества,  и  его  именем  был назван  ряд  явлений. Английский  химик Д. Пристли (1733—1804) из  экспериментов на живых  организмах  расширил  сведения  об  открытом им  кислороде. Французский  химик А. Лавуазье (1743—1794)  исследовал  процессы  дыхания  и  горения,  внеся  тем  самым вклад и  в  химию, и  в биологию. Один из  основных  законов природы — первое начало термодинамики —  был  сформулирован  немецким  врачом Ю. Майером (1814—1878). Врач-офтальмолог Г. Гельмгольц (1821—1894) много  сделал для развития физической оптики. Известно достаточно много примеров того, что можно развивать смежную науку, будучи специалистом в другой области. Так,  Коперник,  Лавуазье,  Ферма  и  итальянец  А.  Авогадро (1776—1856)  были юристами, англичанин Д. Джоуль (1818— 1889) по основной для жизни профессии был пивоваром, а француз А. Ампер (1775—1836)  и  Фарадей  не  получили  систематического  образования,  т.е.  по  современным понятиям  были  дилетантами. Природа  сама  по  себе  не  знает  деления  на  физические  и биологические науки,  она  ведь целостна,  едина,  а  это  разделение  делает  изучающий  ее человек. Тем не менее именно физика вносит в биологию приемы мышления, анализа и обобщения,  свойственные  представителям  точных  наук.  Доказательством  этого,  по мнению  В.А.  Энгельгардта,  является  тот  факт,  что  среди  большинства  ученых, получивших Нобелевские премии  за исследования в области биологии и медицины, нет или  почти  нет  собственно  биологов,  а  есть  физики,  химики,  кристаллографы  и представители  других  точных  наук.  Это  несомненно  показывает,  насколько  сейчас биология  действительно  является  областью  науки,  разрабатываемой  специалистами именно точных дисциплин.