Биология 10 класс (Теремов). Конспекты по учебнику. Цитаты использованы в учебных целях.
Биология Глава 1 §1. Организация биологических систем. Ключевые слова: Биологическая система (биосистема); система; элемент; часть (подсистема); структура; принципы организации биосистем: открытость, высокая упорядоченность, оптимальность конструкции, управляемость, иерархичность.
ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов
Глава 1. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ,
ПРОЦЕССЫ И ИХ ИЗУЧЕНИЕ
§ 1. Организация биологических систем
Вспоминаем: что такое экосистема?
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.
Живая материя на нашей планете существует в форме разнообразных живых, или биологических, систем (биосистем) — клеток, тканей, органов, организмов, популяций и экосистем. Они отличаются друг от друга составом, происходящими в них процессами, выполняемыми функциями. Вместе с тем организация биосистем подчинена ряду общих принципов.
Общее понятие о системе.
Понятие «система» является одним из ключевых в науке. Согласно научным представлениям, система (от греч. systema — целое) — это совокупность компонентов, находящихся во взаимодействии и образующих единое целое. Выделяют разные типы систем: открытые и закрытые (для энергии, информации, веществ); живые (биологические и социальные) и неживые (химические, физические); высокоупорядоченные (организмы) и с низкой упорядоченностью (кристаллы); саморегулирующиеся (организмы) и с внешней регуляцией (химические реакции). Несмотря на разнообразие систем (практически каждый объект может быть рассмотрен как система), у них всегда есть общие признаки: любая система состоит из элементов, частей (подсистем) и имеет определённую структуру (взаиморасположение и связи между элементами, образующими систему). Например, такие элементы и части можно выявить в экосистеме — конкретном природном сообществе, занимающем определённый участок неживой среды и находящемся с ней во взаимосвязи (рис. 1).
В целом для систем характерны следующие свойства: целостность, подчинённость компонентов общей цели; взаимосвязанность, проявляющаяся в том, что изменение одного компонента приводит к изменению остальных; иерархичность, выражающаяся в том, что система может включать в себя системы более низкого порядка и сама, в свою очередь, являться частью другой, более крупной по размерам системы.
Принципы организации биосистем.
Одним из наиболее важных принципов организации биосистем является их открытость для поступающих извне веществ, энергии и информации. Согласно второму закону термодинамики — одному из фундаментальных законов физики — любая биосистема использует лишь часть общей энергии поступающих в неё в результате расщепления химических соединений. Эта часть энергии называется свободной, остальная энергия рассеивается в виде тепла. Соотношение между этими величинами выражается уравнением:
Н = G + Т * S,
где Н — общая энергия, поступившая в систему; G — свободная энергия, использованная системой; Т — температура по Кельвину; S — энтропия (от греч. еn — в, внутри и thropia — поворот, превращение) системы, или мера её неупорядоченности.
Чем больше энтропия системы, тем меньше её упорядоченность и количество свободной, т. е. доступной энергии. В неживых системах энтропия постоянно возрастает, т. е. увеличивается неупорядоченность системы, или хаос. Например, горные породы вследствие возрастания энтропии превращаются в песок, который перемещается с помощью воды, ветра и земного тяготения. Живые системы, или биосистемы, наоборот, непрерывно совершают работу по уменьшению энтропии, увеличивая при этом свою организацию, т. е. согласованность между образующими их компонентами, что позволяет системе использовать свободную энергию. Таким образом, биосистемы построены на основе принципа высокой упорядоченности, обеспечивающего эффективное использование поступающей в них энергии. Эта энергия поддерживает их существование, а не приводит к разрушению, как в случае неживых тел.
Высокая упорядоченность биосистем достигается посредством реализации в их строении принципа оптимальности конструкции. Практически все они являются результатом естественного отбора, сохранившего в процессе эволюции наиболее удачные сочетания элементов и частей, образовавших как отдельные организмы, так и их совокупности — популяции и сообщества. Принцип оптимальности конструкции реализован в химическом составе тел организмов. Так, из всех известных к настоящему времени науке химических элементов в молекулах химических соединений, входящих в состав живых тел природы, постоянно встречаются только 22 элемента, причём 99% приходится на долю водорода, кислорода, углерода и азота. Биосистемы включают наиболее лёгкие из элементов земной коры. Например, кислород — самый тяжёлый из распространённых в живой материи элементов — является самым лёгким из преобладающих элементов земной коры.
Другим примером реализации в биосистемах принципа оптимальности конструкции служит экономия строительного материала, следствием которой является минимизация живого вещества. Так, вся наследственная программа организма одного человека зашифрована всего лишь в 10–15 г ДНК, расположенных в хромосомах ядра зиготы — оплодотворённой яйцеклетки (рис. 4). Если эту информацию перевести на язык слов, то для её записи на бумаге понадобится более 100 томов обычных печатных книг.
Нуклеотиды во много тысяч раз меньше изобретённых людьми современных носителей информации — магнитных и лазерных дисков. Объём молекул ДНК, в которых заключена вся генетическая программа человека, не больше булавочной головки. За счёт такой компактности создаётся колоссальный эффект усиления. При переводе генетической программы на уровень признаков взрослого организма увеличение информации достигает 22 порядков — величины, о которой могут только мечтать специалисты по электронной технике.
Информации принадлежит также ведущая роль в приспособлении биосистем к изменениям внутренней и внешней среды. В этом случае под информацией подразумевается обмен сведениями между компонентами системы, системой и окружающей средой. Посредством разнообразных сигналов (нервных импульсов, гормонов, ионов, звуков, запахов) биосистемы достигают согласованности в работе образующих их компонентов, максимально выгодно для себя используют вещества и энергию, поступающие из окружающей среды. Таким образом, биосистемы построены в соответствии с принципом управляемости, обеспечивающим их переход из одного состояния в другое.
Практически все биосистемы обладают чрезвычайно сложным строением. В этом проявляется принцип иерархичности, т. е. взаимной соподчинённости элементов и частей. Например, любой многоклеточный организм состоит из клеток, тканей и органов, образующих единое целое — самостоятельную биологическую систему. Согласованность работы частей этой системы достигается за счёт подчинения работы систем органов — организму, органов — системе органов, тканей — органам, клеток — тканям. Организмы, в свою очередь, образуют популяции, существующие по своим законам. Популяции формируют сообщества организмов и биогеоценозы, которые объединены в вещественно-энергетическую сеть с неживой природой.
Итак, в организации биосистем проявляются общие принципы создания открытых для веществ, энергии и информации высокоупорядоченных систем, обладающих чётко выраженной структурой, способных к приспособительным изменениям, происходящим как в самой системе, так и в окружающей среде.
Биология Глава 1 §1
Вопросы, задания, ответы по теме
Дополнительная информация
Миниатюрность внутриклеточных структур в биологических системах способствует установлению более прочных внутренних связей между её компонентами. Это существенно снижает влияние окружающей среды на систему, переводя её в состояние подвижного равновесия. Один из создателей теории биологических систем — австрийский учёный Людвиг фон Берталанфи (1901—1972) доказал, что благодаря миниатюрности внутриклеточных структур макроскопические параметры биосистем (размеры, скорость обмена веществ, солевой и газовый состав внутренней среды и др.) остаются относительно постоянными, хотя в них непрерывно происходят разнообразные изменения (ввод и вывод веществ, энергии и информации).
ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов
Вы смотрели: Биология 10 класс (Теремов). Конспекты по учебнику. Цитаты использованы в учебных целях.
Биология Глава 1 §1. Организация биологических систем.