Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем
Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.
По каким принципам организованы биологические системы?
1) закрытость системы
2) высокая энтропия системы
3) низкая упорядочность
4) иерархичность – соподчинение элементов и частей
5) оптимальность конструкции
Одним из принципов организации любой биологической системы является её открытость для веществ, энергии и информации. Раздражимость — это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить.
Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы) или роста (тропизмы).
Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами целостности (несводимость свойств системы к сумме свойств её элементов), относительной устойчивости, а также способностью к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции.
Любая биологическая система является динамической — в ней постоянно протекает множество процессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время биологические системы — открытые системы, условием существования которых служит обмен энергией, веществом и информацией как между частями системы (или подсистемами), так и с окружающей средой.
А что такое энтропия?
Энтропия это свойство состояния изолированной (или принимаемой за таковую) физической системы, характеризуемое количеством самопроизвольного изменения, на которое она способна.
Живой организм с точки зрения протекающих в нем физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном, нестационарном состоянии. Для живых организмов характерна сбалансированность процессов обмена, ведущих к уменьшению энтропии. Конечно, с помощью энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность в целом, так как жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов. Ей свойственны другие сложные процессы саморегуляции.
Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем
Подробное решение параграф §1 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Теремов А.В., Петросова Р.А. Углубленный уровень 2017
Рассмотрите рис. 1. Чем экосистема отличается от образующих ее компонентов? Каковы связи между компонентами экосистемы?
Экосистема, – основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и неживая среда – компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле.
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально — энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.
1. Что такое система? Чем элемент системы отличается от ее части?
Система – это совокупность компонентов, находящихся во взаимодействии и образующих единое целое. Часть системы может состоять из элементов.
2. Почему биосистемы называют открытыми системами?
Потому что они открыто реагируют со средой, т.е. способны обмениваться со средой веществом и энергией.
3. Объясните с позиций термодинамики работу биосистемы по преодолению нарастающей в ней энтропии. Происходит ли такая работа в неживых системах?
Согласно второму закону термодинамики, любая биосистема использует лишь часть общей энергии поступающих в нее в результате расщепления химических соединений. Чем больше энтропия системы, тем меньше ее упорядоченность и количество свободной, т.е. доступной энергии. В неживых системах энтропия постоянно возрастает, т.е. увеличивается неупорядоченность систем, или хаос.
4. За счет чего достигается упорядоченность биосистемы?
За счет высокой упорядоченности, оптимальности конструкций, управляемости, иерархичности.
5. В чем значение информации, поступающей в биосистему из окружающей среды и от составляющих ее компонентов?
Информации принадлежит так же ведущая роль в приспособлении биосистем к изменениям внутренней и внешней среды. В этом случае под информацией подразумевается обмен сведениями между компонентами системы, системной и окружающей средой. Посредством разнообразных сигналов (нервных импульсов, гормонов, ионов, звуков, запахов) биосистемы достигают согласованности в работе, образующих ее компонентов, максимально выгодно для используют вещества и энергию, поступающие из окружающей среды.
6. Докажите на примере любой биосистемы, что она иерархична.
Человеческий организм можно назвать биосистемой. Это совокупность всех органов. Наши тела состоят из ряда биологических систем, которые выполняют конкретные функции, необходимые для повседневной жизни. Работа системы кровообращения заключается в перемещении крови, питательных веществ, кислорода, углекислого газа и гормонов по органам и тканям.
Биология — совокупность наук о живой природе. Она изучает все проявления жизни: строение и функции живых существ и сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Задача биологии — раскрытие сущности жизни, изучение ее закономерностей, их применение для улучшения жизни человека и охраны его здоровья.
Отрасли биологии. Классификация отраслей биологии осуществляется по нескольким принципам. Так, существует разделение биологических наук по объекту изучения. Изначально биологию разделили на зоологию (науку о животных) и ботанику (науку о растениях), позже выделились микология (изучение грибов) и микробиология (изучение микроорганизмов, в первую очередь — бактерий). Зоология разделилась на зоологию беспозвоночных и зоологию позвоночных. В зоологии беспозвоночных выделяют малакологию (изучает моллюсков), энтомологию (насекомых), паразитологию (животных, ведущих паразитический образ жизни) и т. д. В зоологии позвоночных — ихтиологию (рыбы), герпетологию (амфибии и рептилии), орнитологию (птицы) и териологию (млекопитающие). В ботанике выделяют альгологию (изучает водоросли), лихенологию (лишайники), бриологию (мхи) и т. д.
Часть биологических наук разделяется по принципу использования определенных методов изучения. К ним относятся, например, биохимия, цитология, биология индивидуального развития, генетика, экология, эволюционная биология и т. д. Некоторые области биологии возникли на стыке с другими науками. Это биометрия (наука на грани статистики), палеонтология (на стыке с геологией), космическая биология, биофизика и т. д.
Значение современной биологии. К началу XXI в. биология накопила огромный потенциал, благодаря которому она влияет на жизнь каждого человека. Новые методы лечения, продления жизни, получения пищи позволили человеку повысить качество своей жизни, но привнесли определенные опасности. Молекулярные и клеточные технологии, клонирование, генная инженерия могут в корне изменить мир, в котором мы живем. Многочисленность человечества и более долгая жизнь привели к распространению новых болезней. Воздействие человека на биосферу привело к глобальному экологическому кризису, последствия которого еще не вполне ясны. Охрана природы стала необходимым условием выживания человечества. Все это делает биологическое образование необходимым для каждого гражданина.
Жизнь — это поддержка и воспроизведение характерных высокоорганизованных структур, которые совершенствуются в ходе эволюции и осуществляются в соответствии с внутренней программой благодаря внешним источникам веществ и энергии. Вопрос «что есть жизнь?» не имеет однозначного ответа. Давать определение живым системам можно на основании их характерного состава или особенностей функционирования.
Биосистемы и их свойства
Биология изучает различные живые системы — биосистемы. Слово «система» — одно из важнейших в современной науке.
Система — целое, состоящее из взаимосвязанных частей. Некоторые из свойств систем присущи только им и возникают при взаимодействии их частей. Такие свойства можно назвать целостными свойствами систем (иначе — эмергентными или эмерджентными). Никакую молекулу саму по себе нельзя считать живой, а клетка, состоящая из молекул, — живая. Иногда свойства целого противоположны свойствам элементов системы. Так. популяция, состоящая из смертных организмов, потенциально бессмертна.
Одной из характерных особенностей живых систем (биосистем) является иерархическая организация. Например, организм является сложной системой и сам входит в состав систем более высокого уровня (популяции и т. д.). Основанием для выделения уровня организации живых систем является наличие у систем этого уровня эмергентных свойств, отсутствующих на низших уровнях.
Универсальный перечень уровней организации биосистем составить невозможно. Но в зависимости от биосистемы и с точки зрения ее изучения можно выделить разное количество уровней в связи с возникновением важных свойств.
Молекулярный уровень. Представлен различными неорганическими (вода и минеральные вещества) и органическими (липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и др.) веществами. Этот уровень организации наименее специфичен: одни и те же вещества входят в состав различных организмов.
Клеточный уровень. Клетка — основная единица структуры и функции живых организмов, это простейшая система, для которой характерен феномен жизни во всей его полноте.
Органно-тканевый уровень. Составные части сложного организма — ткани, органы, системы органов. В зависимости от особенностей изучения той или иной системы этот уровень можно рассматривать как единый или разделять на несколько уровней, например: тканевый, органный, уровень систем органов, функциональных систем.
Организменный уровень. Отдельное живое существо, которое относительно самостоятельно взаимодействует со средой своего обитания. Организм, обладая относительно независимой судьбой, является единицей отбора, и обычно выживает или погибает как единое целое. Именно на этом уровне взаимодействуют различные системы органов и функциональные системы.
Популяционно-видовой уровень. Группы особей одного вида, которые воспроизводятся и населяют определенные местообитания. Популяции образуют группы, между которыми, в типичном случае, возможны миграции особей. Высшая биосистема популяционного уровня — вид.
Экосистемный (биогеоценотический) уровень. Совокупность организмов разных видов и царств во взаимосвязи с факторами среды их обитания.
Биосферный уровень. Оболочка Земли, развивающаяся под действием живых организмов.
Примеры целостных свойств некоторых уровней организации биологических систем приведены в таблице.
Имеет характерную конформацию, способна к выполнению определенных функций в клетке
Имеет основные свойства живых систем: способна к обмену веществ, размножению и т. д. У одноклеточных имеет свойства организма, у многоклеточных предназначена для выполнения определенных функций
Управляет жизнедеятельностью клеток (делением, обменом веществ, функциональной активностью). Способна к обработке информации и выполнению определенных кибернетических функций
Является единицей естественного отбора (как целое погибает или выживает и размножается). Обладает индивидуальностью, проявляющейся в ходе онтогенеза
Популяция раздельнополых организмов
Потенциально бессмертна, способна к эволюции. Характеризуется определенной половозрастной, пространственной, генетической, иерархической структурой
Способна к развитию, осуществляет частично замкнутый круговорот веществ
Осуществляет замкнутые биогеохимические циклы (в т. ч. обмен веществом с космосом и земными недрами). Регулирует некоторые свойства. Способна к биосферной эволюции
Несмотря на специфичность биосистем разных уровней, можно выделить ряд общих для них свойств:
• иерархичность орденизации. Как уже сказано, жизнь проявляет себя одновременно на многих уровнях организации, каждая из которых имеет свои особенности;
• поток энергии через биосистемы тесно связан с обменом веществ. Благодаря тому, что атомы вещества в ходе преобразований не меняются, вещество может осуществлять круговорот в живых системах. Энергия при преобразованиях частично рассеивается (переходит в форму тепла), и поэтому живые системы существуют только в условиях потока энергии из внешнего источника, проходящего через них. Для биосферы в целом таким источником энергии является Солнце;
• способность к развитию. Все биосистемы возникают и совершенствуются в ходе эволюции. Эволюция на молекулярном уровне привела к возникновению организмов, эволюция популяций приводит к изменению характерных свойств организмов и систем в их составе т. д. Развитие отдельного организма называется онтогенезом, эволюционная история вида — филогенезом, развитие различных сообществ организмов на одном участке территории — сукцессией;
• приспособляемость — соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособляемость не может быть достигнута раз и навсегда, поскольку среда непрерывно меняется. Поэтому все живые системы способны влиять на изменения среды и приспосабливаться ко многим из них. Результатом способности живых систем к приспособляемости являются поражающие воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочное приспособление биосистем осуществляется благодаря их эволюции. Краткосрочное приспособление клеток и организмов обеспечивается их раздражимостью — свойством реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом влияют на изменения и биосистемы всех других уровней, а это позволяет утверждать, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой;
• саморегуляция. Биосистемы находятся в состоянии постоянного обмена веществами, энергией и информацией с окружающей средой. Например, клетки и организмы благодаря саморегуляции поддерживают постоянство своей внутренней среды (гомеостаз), а экосистемы (биогеоценозы) поддерживают свой видовой состав и определенные свойства неживой среды;
• динамичность. Каждая биосистема, начиная с клеточного уровня, является не столько структурой, сколько процессом. Так, клетка остается сама собой, несмотря на то, что в результате обмена веществ изменяются вещества, ее образующие; популяция существует, несмотря на то, что погибают и рождаются особи в ее составе. Для клеток и организмов характерным проявлением динамичности является подвижность — способность к изменениям положения и формы самой системы и ее частей;
• целостность — необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы целостных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. Так, клетка и организм — относительно более целостные биосистемы, чем экосистема. Это проявляется в том, что состав частей клетки и организма менее изменчив, чем состав экосистемы. На экосистемном и биосферном уровнях в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (впрочем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут входить и в состав организмов, а также биосистем других уровней);
• уникальность. Все биосистемы, начиная с клеточного уровня, неповторимы и отличаются от аналогичных систем. Некоторые имеют идентичную наследственную информацию организма (однояйцевые близнецы, клоны и т. д.). другие же неповторимо индивидуальны, все это зависит от бесконечно разнообразных особенностей влияния среды и саморегуляции в ходе развития;
• способность к воспроизводству биосистем обеспечивает устойчивость жизни во времени. Биомолекулы синтезируются клеткой; клетки (а также некоторые структуры эукариотической клетки) воспроизводятся путем деления. На организменном уровне воспроизведение обеспечивается благодаря размножению. Преемственность поколений на организменном (а также на клеточном) уровне обеспечивается наследственностью, а возможность эволюции — изменчивостью. Воспроизводство популяций, биогеоценозов (а возможно, и биосферы) обеспечивается не только размножением организмов, но и благодаря их способности к расселению.
Уровни организации живого:
1 — клеточный; 2 — тканевой; 3 — органный; 4 — систем органов; 5 — организменный
Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем
Рассмотрите рисунок 1. Чем система отличается от ее частей и элементов?
Вспомните основные отличия живых тел природы от неживых.
Живая материя на нашей планете существует в форме разнообразных биологических систем (биосистем)- клеток, организмов, популяций видов, биоценозов, биогеоценозов и биосферы. Они состоят из разных компонентов, отличаются друг от друга происходящими в них процессами и выполняемыми функциями. Вместе с тем организация биосистем подчинена общим принципам, определяющим их функционирование и развитие.
Рис. 2. Джузеппе Арчимбольди. «Рудольф II в виде Вертумна», 1591 г.
Рис. 3. Открытость биологических систем для веществ, энергии и информации — одно из фундаментальных свойств живого
Принципы организации биологических систем.
Принцип оптимальности конструкции наиболее отчетливо заметен в химическом составе тел организмов.
Рис. 5. Системы с разным уровнем упорядоченности: 1 — неживые тела природы (низкая упорядоченность); 2 — живые тела (высокая упорядоченность)
Так, из всех известных к настоящему времени в науке химических элементов в молекулах неорганических и органических соединений живого постоянно встречаются только 22 элемента. При этом 99% из них приходится на долю водорода, кислорода, углерода и азота. Биосистемы включают в свой состав наиболее легкие из элементов земной коры.
Информации принадлежит ведущая роль в приспособлении биосистемы к изменениям среды. Посредством разнообразных сигналов (нервных импульсов, гормонов, ионов, звуков, запахов) биосистемы достигают согласованности в работе образующих их компонентов. Они максимально выгодно для себя используют вещества и энергию, поступающие из окружающей среды. Следовательно, биосистемы построены в соответствии с принципом управляемости, обеспечивающим ее переход из одного состояния в другое (рис. 6).
Итак, в биосистемах проявляются общие принципы организации открытых для веществ, энергии и информации высокоупорядоченных систем, обладающих четко выраженной структурой, т.е. связями между элементами и частями. Эти части способны к приспособительным изменениям, происходящим как в самой биосистеме, так и в окружающей среде, что лежит в основе адаптации живого к различным условиям среды.
Биологическая система (биосистема); элементы, структура биосистемы; принципы организации биосистем: открытость, высокая упорядоченность, оптимальность конструкции, управляемость, иерархичность.
1. Дайте определение системы. В чем выражается ее структура? Приведите примеры биологических систем. 2. Почему биосистемы считают открытыми системами? 3. Объясните с позиций термодинамики работу биосистемы по преодолению нарастающей в ней энтропии. Идет ли такая работа в неживых системах? 4. Благодаря чему достигается упорядоченность биосистем? 5. Каково значение информации, поступающей в биосистему? 6. Докажите на примере любой биосистемы, что она иерархична. 7. Заполните (в тетради) таблицу.
Экология: биология взаимодействия. 1.13. (дополнение) Универсальные свойства биосистем
Українська мова (найновіша версія) / Русский язык (обновление прекращено)
1.13. (дополнение) Универсальные свойства биосистем
При всей специфичности биосистем разных уровней, для них можно выделить ряд универсальных свойств. Назовем некоторые из них.
Определенный состав и упорядоченность. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза — в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.
Иерархичность организации. Как рассматривалось в пункте 1.05, жизнь проявляет себя одновременно на многих уровнях организации, каждый из которых имеет свои особенности.
Обмен веществ — важнейшая особенность функционирования биосистем. Это совокупность происходящих в них химических преобразований и перемещений веществ. На клеточном и организменном уровнях обмен веществ связан с питанием, газообменом и выделением, а, например, на биогеоценотическом — с круговоротом веществ и их перемещением между разными биогеоценозами.
Поток энергии через биосистемы тесно связан с их обменом веществ. Благодаря тому, что атомы вещества в ходе их преобразований не изменяются, вещество может совершать круговорот в живых системах. Энергия, в соответствии со вторым началом термодинамики, при превращениях частично рассеивается (переходит в форму тепла), и поэтому живые системы существуют только в условиях текущего через них потока энергии из внешнего источника. Для биосферы в целом таким источником является Солнце.
Способность к развитию. Все биосистемы возникают и совершенствуются в ходе эволюции. Эволюция на молекулярном уровне привела к возникновению организмов; благодаря эволюции популяций меняются характерные свойства организмов и всех входящих в их состав систем. Изменение биогеоценозов и биосферы также связано с их способностью к эволюции. Развитие отдельного организма называется онтогенезом; эволюционная история вида — филогенезом; развитие биоценозов на одном участке — сукцессией.
Приспособленность — соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них. Результатом способности живых систем вырабатывать приспособления является поражающее воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости — свойству реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом отвечают на изменения и биосистемы всех других уровней, что позволяет говорить, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой.
Саморегуляция. Биосистемы находятся в состоянии постоянного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Например, клетки и организмы благодаря саморегуляции поддерживают постоянство своей внутренней среды (гомеостаз), а биогеоценозы поддерживают свой видовой состав и определенные свойства неживой среды. Поддержание постоянства свойств биосистем обеспечивается благодаря отрицательным обратным связям, а их изменение и развитие — благодаря положительным обратным связям.
Динамичность (состояние непрерывных изменений). Жизнедеятельность на всех уровнях организации биосистем связана с обменом веществ и информации, а также потоком энергии. При этом каждая биосистема, начиная от клеточного уровня, является не столько структурой, сколько процессом. Так, клетка остается сама собой, несмотря на то, что в результате обмена веществ сменяются образующие ее вещества. Популяция существует, несмотря на то, что гибнут и появляются входящие в ее состав особи. Для клеток и организмов характерным проявлением динамичности является подвижность — способность к изменению положения и формы самой системы и ее частей.
Целостность (интегрированность) — необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы эмергентных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. К примеру, в состав клетки должен входить совершенно определенный состав компонентов, строго соответствующих друг другу (если митохондрия синтезирует не все свои белки, то ядро обязательно должно управлять синтезом недостающих, и вполне соответствующих имеющимся в митохондрии). Организм состоит из определенного комплекта органов. Биогеоценоз тоже состоит из определенного набора компонентов (например, автотрофов и гетеротрофов), но их состав оказывается в большой мере заменяемым. Раз связи подсистем в клетке и организме являются более жесткими (свойства одной подсистемы требуют строго определенных характеристик другой подсистемы) чем в биогеоценозе, клетку и организм можно считать более целостными. На биогеоценотическом и биосферном уровне в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (впрочем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут входить и в состав организмов, а также биосистем других уровней).
Уникальность. Все биосистемы, начиная от клеточного уровня, неповторимы и отличаются от аналогичных систем. Например, имеющие идентичную наследственную информацию организмы (однояйцовые близнецы, клоны и т.д.) обладают неповторимой индивидуальностью, зависящей от бесконечно разнообразных особенностей воздействия на них среды и саморегуляции в ходе развития.
Способность к воспроизводству биосистем обеспечивает устойчивость жизни во времени. Биомолекулы синтезируются клеткой; клетки (и даже некоторые структуры эукариотической клетки) воспроизводятся путем деления. На организменном уровне воспроизводство обеспечивается благодаря размножению. Преемственность поколений на организменном (а также на клеточном) уровне обеспечивается наследственностью, а возможность эволюции — изменчивостью. Воспроизводство популяций, биогеоценозов (а быть может и биосферы) обеспечивается не только размножением организмов, но и благодаря их способности к расселению.