Властивості живих систем

Розглянемо загальні, характерні для всього живого, властивості та їх відхилення від подібних процесів, що протікають у неживій природі.

Обмін речовин

Всі живі організми здатні до обміну речовин із навколишнім середовищем, поглинаючи з неї необхідні речовини та виділяючи назовні продукти життєдіяльності (рис. 2).

На відміну від обмінних процесів, які у неживої природі, у живих організмів вони мають якісно інший рівень. У живих системах спостерігаються процеси перетворення хімічних речовин.

Самовідтворення, або репродукція - здатність до розмноження (рис. 3). Нащадки в основних своїх рисах зазвичай схожі на батьків: кішки відтворюють кошенят, собаки — цуценят. З насіння кульбаби виростає кульбаба.

Мал. 2. Обмін речовин у клітці

В основі самовідтворення лежить утворення нових молекул та структур на основі інформації, закладеної у послідовності нуклеотидів ДНК. Отже, самовідтворення тісно пов'язане із явищем спадковості.

Спадковість. Полягає в здатності організмів передавати свої ознаки, властивості та особливості розвитку з покоління до покоління. Вона обумовлена ​​стабільністю ДНК, тобто сталістю будови її молекул.

Мінливість. Це здатність організмів набувати нових ознак і властивостей. В її основі лежить зміна біологічних матриць. Мінливість створює різноманітний вихідний матеріал для природного відбору, тобто відбору найбільш пристосованих до конкретних умов особин.

Зростання та розвиток. Зростання живої істоти проявляється у збільшенні його розмірів рахунок самовідтворення окремих клітин організму.Одночасно з цим в організмі відбуваються незворотні зміни, що виражаються у структурних та функціональних перебудовах органів та їх систем. Розвиток живої матерії представлено індивідуальним розвитком, або онтогенезом, та історичним розвитком, або філогенезом.

Протягом онтогенезу поступово виявляються індивідуальні якості організму. Незалежно від способу розмноження, всі дочірні особини отримують у спадок тільки генетичну інформацію, т.е. е. можливість виявити ті чи інші ознаки. У процесі розвитку, під впливом різних чинників, формується специфічна структурна організація живої істоти. Якщо онтогенез - це індивідуальний розвиток кожної окремої особини, то еволюційний розвиток виду, до якого вона відноситься, називається філогенезу. Еволюція — це незворотний та спрямований розвиток живої природи, що супроводжується утворенням нових видів та прогресивним ускладненням форм життя. Результатом еволюції є все різноманіття живих організмів Землі.

Подразливість. У процесі еволюції у живих організмів виробилося і закріпилося властивість вибірково реагувати зміни зовнішньої та внутрішньої середовища. Ця властивість зветься дратівливості. Реакція багатоклітинних тварин на роздратування здійснюється через посередництво нервової системи та називається рефлексом.

Організми, які мають нервової системи, наприклад найпростіші чи рослини, позбавлені рефлексів. Зазвичай називають їх реакції, що виражаються в зміні характеру руху або росту таксами або тропізмами, додаючи для їх позначення назву подразника. Наприклад, рухи рослин чи найпростіших під впливом світла є проявом фототропізму (рис. 4).

Дискретність (від лат. discretus - переривчастий, розділений) - загальна властивість матерії. Так, з курсів фізики та загальної хімії відомо, кожен атом складається з елементарних частинок, а молекули формуються з атомів. З простих молекул утворюються складніші сполуки чи кристали тощо. буд. Життя Землі також проявляється як дискретних форм. Це означає, що окремий організм чи інша біологічна система (вид, біоценоз та інших.) складається з окремих ізольованих, тобто. е. відокремлених або відмежованих у просторі, проте тісно пов'язаних і взаємодіючих між собою частин, що утворюють структурно-функціональну єдність. Дискретність будови організму – основа його структурної впорядкованості. Вона створює можливість постійного самооновлення його шляхом заміни структурних елементів, що «зносилися» (молекул, органоїдів клітини, цілих клітин).

Мал. 4. Фототропізм

Ритмічність спрямовано узгодження функцій організму із довкіллям, т.і. е. на пристосування до умов існування, що періодично змінюються. У біології під ритмічністю розуміють періодичні зміни інтенсивності фізіологічних функцій з різними періодами коливань (від кількох секунд до року та століття). Добре відомі добові ритми сну та неспання у людини, сезонні ритми активності та сплячки у деяких ссавців (суслики, їжаки, ведмеді).

Енергозалежність. Живі тіла є «відкриті» для надходження енергії системи. Це поняття запозичене з фізики. Під «відкритими» розуміють такі системи, в яких безперервно відбувається надходження та видалення речовин, а також обмін енергією із середовищем.Живі організми існують доти, доки у них протікають ці процеси.

Таким чином, живі організми різко відрізняються від об'єктів фізики та хімії – неживих систем – своєю винятковою складністю та високою структурною та функціональною упорядкованістю. , що ж таке «життя». дав Фрідріх Енгельс (1820-1895) (рис. 5): «Життя є спосіб існування білкових тіл, і цей спосіб існування полягає по суті в постійному самооновленні хімічних складових частин цих тіл».

Досягнення біології нашого часу дозволили розкрити нові риси, характерні для живих організмів, і на цій підставі дати більш детальне визначення поняття «життя». У ХХ ст. : «Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті саморегулюючі та системи, що самовідтворюються, побудовані з біополімерів — білків і нуклеїнових кислот».

5. Рис. Ф. Енгельс

Рис. М. В. Волькенштейн

Живі організми відрізняються від об'єктів неживої природи більш складною організацією та високою структурною та функціональною впорядкованістю. Усі живі системи характеризуються загальними властивостями.

Властивості живих систем: обмін речовин, самовідтворення, спадковість, мінливість, зростання та розвиток, подразливість, дискретність, ритмічність, енергозалежність.

1. Якими основними властивостями характеризуються живі системи?
2. Чим відрізняються обмінні процеси у неживій природі від обміну речовин живих організмів?
3. Що таке самовідтворення (репродукція) живих організмів? Що лежить у його основі?
4. Яке значення спадковості у підтримці життя Землі?
5. Дайте визначення біологічної еволюції.
6. Що таке розвиток? Які форми розвитку вам відомі?
7. Наведіть приклади дискретності організації живих систем.
8. У чому полягає ритмічність процесів життєдіяльності?
9. Дайте сучасне визначення життя.

1. Чому живі організми є відкритими системами?
2. Яке значення для пристосування до умов існування має подразливість?

Розділ 3. Біота біосфери

Т.А. Акімова, A.П. Кузьмін, В.В. Хаскін
Екологія. Природа - Людина - Техніка
Підручник для вишів. - М.: ЮНІТІ-ДАНА, 2001. - 343 с.

Розділ 3. Біота біосфери

3.1. Основні властивості живих систем

Для розуміння структури та функціонування екологічних систем є доцільним сформулювати найбільш загальні властивості живих систем клітинного та організмового рівнів організації у термінах фізичної картини світу. У 2-му розділі вже коротко перелічені основні характеристики живих систем. Це — структурна організація, здатність до самовідтворення та самоскладання, обмін речовин та енергії, дратівливість, підтримка сталості внутрішнього середовища, здатність до адаптації. Тут ми розглянемо, за допомогою яких умов та механізмів реалізуються основні властивості живих систем.

Живою може бути названа динамічна система, яка активно сприймає та перетворює молекулярну та сигнальну інформацію з метою самозбереження. Інформація виникає у результаті взаємодії потоку енергії з матеріалізованою програмою.Програми можуть створювати лише біологічні системи. Молекулярна інформація - це сукупність сигналів, що передаються специфічними молекулами. Сигналом щодо елемента системи є фізична або хімічна дія, що змінює функціонування цього елемента. Активне сприйняття та перетворення інформації означає випереджальне (охоронне) реагування на зовнішній вплив та пов'язану з ним зміну системи. У посібниках з біології воно зазвичай визначається як властивість подразливості. Зберігальне реагування може бути реалізовано декількома способами: уникненням несприятливого впливу, оборонною реакцією, регенерацією, самовідтворенням. Для сприйняття та перетворення сигналів, що забезпечують реакції та самозбереження системи, необхідні такі умови:

1. Система повинна мати відносно стійку структурну організацію Основою структурної організації переважної більшості біологічних систем як індивідуумів є будова біологічних макромолекул, надмолекулярний пристрій клітин та клітинна будова багатоклітинних організмів.

2. Наявність запасу концентрованої енергії, яка може бути використана для сприйняття сигналів, реагування на них та збереження структури. У живих системах ця енергія міститься у певних хімічних зв'язках органічних речовин.

3. Для звільнення енергії в біосистемі і звернення її у фізіологічну роботу потрібні речовини, які знижують потенційні бар'єри хімічних реакцій (каталізатори) і трансформують хімічну енергію, що виділилася, у фізіологічну роботу. Ці функції забезпечуються ферментами.

4.У структурах, що виконують інформаційну функцію, закодовано програми зчитування та реалізації інформації. Існує два роду таких програм: а) програми самовідтворення, що копіює біосинтезу (генетична пам'ять); вони закодовані в молекулярній структурі нуклеїнових кислот - ДНК та РНК; б) програми оперативного реагування - індивідуального поведінки (Сигнальна пам'ять); вони записані в системах рефлекторних структур, що включають чутливі елементи та пристрої, що управляють.

5. Оскільки більшість сигналів у живій системі передається особливими молекулами, клітинні структури, що сприймають їх, — рецептори — повинні мати властивість. молекулярного впізнавання. На молекулярному впізнанні засновані найважливіші біологічні процеси: активність ферментів, реплікація ДНК, біосинтез білка, самоскладання надмолекулярних структур, взаємодія антиген - антитіло, хімічна рецепція (смак, нюх) та інших.

6. При кожній реакції у живій системі витрачається якась частина енергоносіїв та каркасних структур. Для їх відновлення та збереження цілісності необхідний приплив речовин та енергії з навколишнього середовища. харчування. У процесах метаболізму обміну речовин та енергії всередині біосистеми об'єднані та врівноважені взаємопов'язані процеси анаболізму (асиміляції) - уподібнюючого синтезу речовин, та катаболізму (дисиміляції) - розпаду складних сполук на прості зі звільненням енергії.

7. Поступове накопичення у кожній окремій живій системі незворотних структурних змін обмежує її існування у часі. Тому клітина, організм прагнуть до самовідтворення, не чекаючи, поки виникне загроза їхньому життю.Наявність програми відтворення у вигляді ДНК та її більша стабільність у порівнянні з іншими структурами біологічної системи зумовлюють властивість спадковості. Спадковість не абсолютна, вона так само, як і жива система в цілому, має мінливістю під впливом випадкових спонтанних чи індукованих змін у генетичному апараті – мутацій.

8. Спадкові зміни та їх відбір під дією факторів середовища обумовлюють генетичні адаптації, видоутворення та збільшення біологічного розмаїття. Вони теж можуть розглядатися як випереджувальні реакції, але вже на надорганізмовому рівні, з боку екологічних систем: якщо змінюються умови життя, то різноманітність видів забезпечує більшу ймовірність збереження життя за рахунок форм, що краще пристосовані до нових умов. Це зумовлює процес біологічної еволюції

Перелічені властивості лежать в основі єдності та різноманітності живих систем. У живій природі практично нескінченна різноманітність виникає на основі поєднання небагатьох структурних одиниць. До складу живих організмів входять ті ж хімічні елементи, що й до складу об'єктів неживої природи, але їхнє кількісне співвідношення неоднакове. Тільки на 6 елементів - О, Н, С, N, S, Р - припадає в середньому майже 99% складу органіки всіх живих істот від вірусів до людини. Ці елементи називають біогенними. Їх сполуки утворюють кілька десятків природних мономерів — амінокислот, нуклеотидів, Сахаров та інших органічних речовин, різні поєднання яких, своєю чергою, дають вже дуже багато індивідуальних біополімерів.

Численність та різноманітність природних біологічних форм добре відома.В даний час на підставі морфологічних і біохімічних відмінностей надійно ідентифіковано більше 1,7 млн. видів організмів. літературі часто фігурує розмах числа видів планети від 5 до 30 млн і використовується порядок величини 10 7 . виду або популяції, навіть не рахуючи відмінностей за статтю, віком, фазою розвитку, по-своєму різноманітні і окремі організми.

При всій біологічній різноманітності воно, тим не менш, у багато разів менше, ніж в принципі могло б бути, виходячи з можливого числа молекулярних поєднань. водночас число атомів у всьому видимому Всесвіті має порядок «всього» 10 80 . з числом ізомерів тільки однієї молекули величина різноманітності молекул, відомих науці, видається абсолютно «нікчемною» — не більше 10 8 . означає, що кожен біологічний вид, більш того, кожна жива істота дуже унікальна. Воно повинно мати рідкісний набір властивостей, за допомогою яких організм врівноважується з безліччю сил навколишнього середовища, що діють на нього.