Биологическая система: определение, особенности, уровни и принципы

Окружающий нас мир стремится к хаосу. И только биологические системы противостоят энтропии и продолжают существовать в динамическом равновесии. Все живые объекты, что нас окружают, отличаются сложностью, структурной и функциональной упорядоченностью. Хотя и сегодня нет единого определения жизни, как формы существования материи, в определенной трактовке это возможность существования биологической системы самого разного уровня организации.

Междисциплинарные основы

В любой сфере науки система – это объединение функциональных элементов, которые связаны друг с другом и предназначены для выполнения одной функции. При этом выполняют они ее как единое целое и сумма единиц в таком случае не равна результату.

Понятие биологической системы включает в себя живые структурные элементы, взаимодействующие и взаимозависимые. Из этих компонентов образуется единое живое целое как система элементов, вытекающих один из другого и выполняющих единую функцию – обеспечение жизни.

Способность биологических систем создать порядок из хаотичного движения атомов, стремящихся к увеличению энтропии – это самая удивительная и потрясающая особенность жизни. Упорядоченность – первое фундаментальное свойство жизни на нашей планете. Другие свойства жизни – внутренний и внешний обмен веществами и энергией, способность к движению и раздражимость, возможность адаптироваться (приспосабливаться), расти, развиваться и производить себе подобных.

Уровни организации жизни

Все окружающее нас разнообразие органического мира условно можно привести к шести уровням организации биологических систем, три из которых являются надорганизменными:

• Молекулярно-генетический. На данном уровне происходит обмен веществ и энергии и сохранение наследственной информации.
• Клеточный уровень организации. Клетка как биологическая система осуществляет процессы метаболизма, дифференциации и специализации. На этом уровне начинается перенос наследственной информации через поколения. В многоклеточных организмах выделяют еще и органно-тканевый уровень, который образуют одинаково специализированные клетки, выполняющие один функционал на всех.
• Организменный или онтогенетический уровень. Ключевой уровень для понимания жизни. Целостный организм (одноклеточный или многоклеточный) функционирует на основе экспрессии генного материала, полученного от родительских форм.

А дальше начинается бессмертие

Если на предыдущих уровнях организации материи жизнь конечна, то со следующей ступени начинается потенциальное бессмертие.

• Популяционно-видовой уровень. На данном уровне в игру вступает не индивид, а группа – вид, популяция. Группа организмов одного вида транслирует из поколения в поколение свой наследственный материал, одновременно приспосабливаясь. И она становится уже единицей микроэволюции или видообразования.
• Биогеоценотический уровень. На данном уровне мы говорим об экологическом сообществе различных видов животных и растений на определенной территории. Они имеют динамически равновесный и стабильный состав и постоянный круговорот веществ и энергии.
• Последний уровень – биосферный. Это «живая пленка» нашей планеты, которая входит и одновременно является неотъемлемой частью глобальной экосистемы Земли.

Может, со временем человечество откроет и новый уровень организации биологических систем – межпланетный или галактический. Но пока это все, что нам известно.

Единство и взаимосвязь

Иерархично сопряженные уровни, описанные выше, не всегда целесообразно выделять при рассмотрении конкретного вида или особи. Например, при изучении одноклеточных бактерий понятие вида довольно условно – бактерии живут отдельными штаммами, а по-простому семьями. И вид, и популяция, и частичка биосферы одновременно.

Главное - это то, что на любом уровне биологическая система – это открытая, способная к росту и развитию, динамически устойчивая и самовоспроизводящаяся структура, в отличие от систем неживых – закрытых, статичных, склонных к деградации. Можно рассматривать разные биологические системы, принципы их всегда будут одинаковы.

На чем стоим

Принципиально все системы жизни основаны на следующих постулатах:

• Единый химический состав. Все живое состоит из тех же элементов, что и неживые тела. Только соотношение другое – 98% составляют углерод, водород, кислород и азот.
• Обмен веществ и их превращение, которые и обеспечивают гомеостаз – динамическое постоянство состава.
• Воспроизведение себе подобных на основе наследственного материала (ДНК).
• Из предыдущего свойства вытекают способности наследственности и изменчивости.
• Развитие (направленное изменение) и рост (увеличение количественных показателей).
• Избирательная (обратная связь) раздражимость на воздействия извне.
• Дискретность (состоят из обособленных элементов) и целостность (функциональное единство).
• Саморегуляция, которая обеспечивает гомеостаз.
• Энергозависимость. Открытые системы, которые нуждаются в постоянном пополнении энергии из внешней среды.
• Иерархичность и соподчиненность.

Соподчинение и взаимосвязь

Любой компонент биологической системы одновременно дискретен и целостен. Сложность всего живого, которая начинается на уровне организации полимерных биомолекул, продолжается на более высоких уровнях организации жизни. И если на низших уровнях биологических систем само осуществление свойств живого является необходимым условием и посылкой к более высоким уровням, то с возрастанием сложности организации свойства живого видны все четче.

Человека всегда больше всего интересовал он сам. И мы в статье рассмотрим человека как биологическую систему. При этом жизнь ведь появляется на уровне клетки, а бессмертие - на уровне популяций и биосферы.

Там, где начинается жизнь

Структурной единицей всего живого на нашей планете является клетка. Эта универсальная биологическая система отделена от внешней среды цитоплазматической мембраной. Есть клетки с ядром (эукариоты), есть без ядра (прокариоты). Есть с множеством органелл (растения – хлоропласты, пластиды, митохондрии), есть совсем без них (клетки жировой ткани). Структура и составляющие этих кирпичиков жизни определяются их функциями.

Но именно на уровне клетки осуществляются все самые главные свойства всего живого на планете Земля.

Из чего сделаны мальчики и девочки

Человек – биологическая система с многоуровневой организацией и сложной саморегуляцией. В строении нашего организма выделяют следующие уровни организации:

• Клеточный. Именно с клетки, как структурной единицы начинается наш организм (яйцеклетка, нейрон или кардиомиоцит).
• Тканевый. Совокупность клеток с одинаковым строением, метаболизмом и функциями объединены в 4 главные ткани организма: нервную, мышечную, соединительную и эпителиальную.
• Органный. Объединение нескольких типов тканей в единую структуру, которая занимает определенное место и выполняет конкретную функцию, называются органами человека (мозг, печень, почка, селезенка).
• Системный. Это уже когда несколько органов, разных по строению и расположению, объединены в единую физиологическую систему (сердечно-сосудистая, нервная, выделительная, дыхательная).
• Организменный. Объединение всех предыдущих уровней для обеспечения жизнедеятельности всего организма в постоянно меняющихся условиях среды.

Бессмертная «пленка» планеты

Не будем брать в кавычки первое слово заглавия, так как сохраняем уверенную надежду на то, что человечество не разрушит планету вместе с биосферой. Эта оболочка Земли, где обитают живые организмы, составляет всего 0,1% ее от массы.

Если бы мы распределили по всей поверхности планеты всю биомассу биосферы, то это был бы слой в 2 миллиметра.

Но уже начиная с первых дней появления жизни она меняла «лицо» Земли. Наличию кислорода в атмосфере мы обязаны анаэробным бактериям, жившим миллиарды лет назад, за торф, нефть, газ и каменный уголь мы также должны поблагодарить одноклеточных.

А человечество только за последние 500 лет извело с планеты более 800 биологических видов, которые природа создавала миллионы лет. И антропогенное воздействие на экосистему Земли продолжается. Свидетельств тому множество – увеличение озоновых дыр, климатические изменения, участившиеся геологические катаклизмы. Можно продолжать, но это тема другой статьи.