Краткое содержание: Параграф § 1 / Биология 10 класс

Понятие о системе и биосистеме

Система — это совокупность компонентов, которые взаимодействуют и образуют единое целое. Системы могут быть открытыми (происходит обмен энергией, веществом, информацией с окружающей среды) и закрытыми, живыми (биологические и социальные) и неживыми (химические, физические), высокоупорядоченными (организмы) и с внешней упорядоченностью (кристаллы), саморегулирующиеся (организмы) и с внешней регуляцией (химические реакции). В любой системе выделяют элементы, части (подсистемы) и структуру (взаиморасположение и связи). Биосистема (экосистема) является частным случаем системы, включающим неживую природу и совокупность живых организмов, связанных с ней.

Биосистемы — это открытые, высокоупорядоченные системы со сложной структурой, которые обладают свойствами целостности, подчинённости компонентов общей цели, взаимосвязанности, проявляющейся в том, что изменение одного компонента приводит к изменению остальных, иерархичности, выражающейся в том, что система может включать в себя системы более низкого порядка и, в свою очередь, являться частью другой, более крупной по размерам системы.

Принципы организации биосистем

Одним из наиболее важных принципов является открытость для поступающих извне веществ, энергии и информации. Согласно второму закону термодинамики, любая биосистема использует лишь часть общей энергии, поступающей в неё в результате расщепления химических соединений. Оставшаяся часть энергии рассеивается в виде тепла. Соотношение между этими величинами выражается уравнением:

\[ H = G + T \cdot S, \]

где H — общая энергия, поступившая в систему; G — свободная энергия, использованная системой; T — температура по Кельвину; S — энтропия (от греч. \( \epsilon \nu \) — в, внутри и \( \tau \rho \omicron \pi \acute{\eta} \) — поворот, превращение) системы, или мера её неупорядоченности.

Живые системы являются менее упорядоченными и обладают бо́льшим количеством свободной, т. е. доступной, энергии, в то время как в неживых системах энтропия постоянно возрастает, т. е. увеличивается неупорядоченность, или хаос. Биосистемы постоянно совершают работу по уменьшению энтропии, увеличивая при этом свою организацию, т. е. согласованность между образующими их компонентами, что позволяет эффективно 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. Это результат естественного отбора, который в процессе эволюции сохранил наиболее удачные сочетания элементов и частей, образующих как отдельные организмы, так и их совокупности — популяции и сообщества. Принцип оптимальности конструкции реализуется и на химическом составе живых организмов. Например, 99% химических элементов в составе клеток живых организмов приходятся на долю водорода, кислорода, углерода и азота.

Другим примером реализации в биосистемах принципа оптимальности конструкции служит экономия строительного материала, следствием которой является минимизация живого вещества. Например, наследственная программа организма одного человека зашифрована всего лишь в \( 10^{-12} \text{г} \) ДНК. Миниатюризация объёма информационных структур достигает гигантских масштабов: объём генетической информации, записанный в молекуле ДНК, не больше булавочной головки.

Также биосистемам присущ принцип управляемости. Информация играет ведущую роль в приспособлении биосистем к изменениям внутренней и внешней среды. Под управляемостью понимается 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 используя вещества и энергию, поступающие из окружающей среды.

Все биосистемы обладают иерархичностью, т. е. взаимной соподчинённостью элементов и частей. Например, любой многоклеточный организм состоит из клеток, тканей и органов, образующих единую, относительно самостоятельную биологическую систему. Согласованность работы частей этой системы достигается за счёт подчинённости работы систем органов — организму, органов — системе органов, тканей — органам, клеток — тканям. Популяции формируют сообщества организмов и биоценозы, которые объединены в вещественно-энергетическую сеть с неживой природой. Иерархия обеспечивает прочные внутренние связи между компонентами, а также переход системы ко всё более упорядоченному состоянию.