Признаки, функции и свойства живых систем
Признаки, функции и свойства живых систем
Введение
Вопрос определения понятия жизни является дискуссионным в современной науке, поскольку существующие концепции базируются исключительно на формах жизни, наблюдаемых на планете Земля. Вся совокупность территорий и пространств, где встречаются живые существа, формирует биосферу. Сама совокупность всех живых организмов, включая растения, животных и микроорганизмы, обозначается термином биота. Неживая окружающая среда, с которой взаимодействуют организмы, называется абиотой. Живое представляет собой сложную систему, характеризующуюся наличием взаимосвязанных элементов, устойчивых причинно-следственных связей между ними, а также постоянным взаимодействием с внешней средой.
Уровни организации живой материи
Существует детальная иерархическая классификация уровней организации живой материи. Базовым считается молекулярный уровень, на котором изучаются биополимеры, такие как белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Отдельные химические элементы или простые газы, например кислород или азот, не относятся к живой материи. Следующим этапом является уровень клеточных органелл, образующих внутреннюю структуру клеток, таких как клеточное ядро. Клеточный уровень является основополагающим для большинства организмов, однако статус вирусов, представляющих собой неклеточную форму жизни, остается предметом научных дискуссий, так как они обладают лишь некоторыми признаками живого. Из клеток образуются ткани, которые, в свою очередь, формируют органы и системы органов, составляющие целостный индивидуальный организм. На более высоких уровнях выделяются популяционно-видовой уровень, биоценозы, представляющие собой сообщества различных организмов, экосистемы или биогеоценозы, и, наконец, глобальная биосфера.
Химический состав и роль биополимеров
Важнейшим признаком живых систем является относительное единство химического состава, которое кардинально отличает их от объектов неживой природы. Живые существа примерно на девяносто восемь процентов состоят из четырех основных макроэлементов: кислорода, составляющего около шестидесяти процентов массы, углерода, на долю которого приходится до двадцати процентов, водорода и азота. Для сравнения, литосфера состоит преимущественно из железа и кремния, а гидросфера и атмосфера имеют принципиально иное соотношение элементов. Высокая концентрация углерода является уникальной особенностью исключительно органического мира. Функционирование живых систем обеспечивается наличием сложных биополимеров, к которым относятся нуклеиновые кислоты, белки, ферменты и витамины. Именно на полимерных структурах записывается, хранится и передается генетическая информация, а также осуществляются все химические реакции и жизненные процессы.
Фундаментальные признаки живых систем
Непрерывный приток энергии и обмен веществ, или метаболизм, лежат в основе поддержания жизни. Метаболизм подразделяется на два взаимосвязанных процесса: анаболизм и катаболизм. Анаболизм представляет собой синтез сложных органических веществ из более простых, требующий затрат энергии. Типичным примером анаболизма является фотосинтез у автотрофов, за счет которого существует большинство организмов на планете. Катаболизм заключается в расщеплении сложных химических веществ с высвобождением энергии, которая аккумулируется в форме аденозинтрифосфорной кислоты. К катаболическим процессам относятся дыхание, гликолиз и брожение. В результате метаболизма живые организмы поддерживают гомеостаз, то есть динамическое постоянство внутренней среды. Нарушение гомеостаза приводит к патологиям и гибели системы.
Способность сохранять высокую степень упорядоченности и противодействовать второму началу термодинамики является еще одной базовой характеристикой живого. Организмы совершают непрерывную работу против энтропии и хаоса, поддерживая свою сложную структуру. Эта структурная устойчивость сохраняется только при жизни, тогда как после смерти происходит быстрое разложение материи.
Живые системы обладают свойством дискретности, что означает их физическую разделенность на обособленные, но взаимосвязанные части, например органы, ткани или клетки, имеющие четкие границы в виде биологических мембран. Дискретность позволяет организму поддерживать структурную упорядоченность и оперативно обновлять поврежденные или отмершие элементы.
Поскольку время существования отдельной особи конечно, важнейшим признаком является способность к самовоспроизведению. Передача информации от поколения к поколению обеспечивается свойством наследственности, материальным носителем которой выступает молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Наряду с наследственностью существует изменчивость, позволяющая организмам приобретать новые адаптивные признаки и эволюционировать. Это диалектическое противоречие между сохранением старой информации и приобретением новой лежит в основе биологической эволюции.
Процесс индивидуального роста выражается во внутреннем увеличении размеров и массы за счет включения питательных веществ в собственные структуры. Развитие подразумевает возникновение новых структурных и функциональных качеств, как в рамках индивидуального онтогенеза, так и в историческом эволюционном масштабе. Живые системы также обладают выраженной способностью к саморегуляции и самоорганизации, что позволяет им эффективно адаптироваться к агрессивным воздействиям окружающей среды. У некоторых организмов наблюдается ритмичность, проявляющаяся в периодическом изменении физиологических функций, например, в чередовании циклов сна и бодрствования.
Базовые функции живых организмов
Функции живых существ неразрывно связаны с проходящими через них потоками веществ, энергии и информации. Функция питания обеспечивает поступление необходимых химических соединений из внешней среды. Организмы делятся на автотрофов, самостоятельно синтезирующих органические вещества из неорганических посредством трансформации солнечной энергии, и гетеротрофов, потребляющих готовые органические соединения растительного или животного происхождения.
Функция дыхания, являющаяся катаболическим процессом, позволяет извлекать необходимую для жизнедеятельности энергию из потребленных веществ с использованием кислорода. Функция выделения отвечает за постоянное выведение из организма конечных продуктов обмена веществ, таких как углекислый газ, вода и аммиак, накопление которых токсично для системы.
Неотъемлемой функцией выступает раздражимость, представляющая собой универсальную реакцию на изменения внутренней и внешней среды. У растительных организмов она проявляется в медленных тропизмах и настиях, например, в изменении направления роста корневой системы или повороте листьев к источнику освещения. У многоклеточных животных с развитой нервной системой реакции протекают с высокой скоростью в форме сложных безусловных и условных рефлексов.
Функция передачи информации реализуется через процессы матричного синтеза и размножения, обеспечивая непрерывность существования биологических видов при ограниченном сроке жизни отдельных индивидов. Кроме того, живым системам свойственна функция подвижности. Она может выражаться как в активном пространственном перемещении всего многоклеточного организма, так и во внутренних высокоорганизованных движениях цитоплазмы, клеточных органелл и биологических жидкостей, что критически важно для адекватного протекания процессов метаболизма.
Свойства живого вещества в учении Вернадского
В рамках биогеохимической концепции академика Владимира Ивановича Вернадского выделяются специфические интегральные свойства живого вещества, рассматриваемого в масштабах всей биосферы Земли. Одним из ключевых свойств является феномен, обозначаемый как «всюдность жизни». Он заключается в способности живых организмов стремительно захватывать все доступное свободное пространство и осваивать самые разнообразные экологические ниши.
Глобальное количество живого вещества на планете рассматривается как относительно постоянная величина. Она не подвержена радикальным изменениям при смене геологических эпох или климатических условий, поскольку биота обладает высочайшим потенциалом к адаптации: при понижении температур доминируют холодоустойчивые виды, а при потеплении — теплолюбивые.
В отличие от объектов косной неживой природы, живое вещество способно к активному перемещению в пространстве, в том числе преодолевая силу земного тяготения, что наглядно демонстрируется вертикальным ростом деревьев. Биохимические процессы в живых системах протекают с колоссальной скоростью, недостижимой в неживой природе, что обеспечивается каталитическим действием специфических ферментов. Также для живого вещества характерна исключительно высокая скорость обновления структуры. Происходит непрерывная смена множества поколений организмов за исторически короткие промежутки времени, что обеспечивает высокую пластичность и выживаемость биосферы на протяжении миллиардов лет.