Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой системы с внешней средой, состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Эта цель достигается за счет отбора извне веществ и энергии, которые обеспечивают химический синтез необходимых организму соединений, а также вывод из живой системы всего, что не может быть ею использовано. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.
Между двумя типами организмов — авто- и гетеротрофами — существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растениями, передается через травоядных к хищникам; заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганические вещества. В последующем эти молекулы вновь могут участвовать в образовании живых систем. В итоге в биосфере сформировался глобальный круговорот веществ, который обусловлен так называемыми биогеохимическими циклами. Основными являются циклы обращения в биосфере воды, а также элементов, из которых состоят живые системы.
Первоисточником энергетического потока, проходящего сквозь все пищевые цепочки в биосфере, служит энергия солнечного электромагнитного излучения, попадающая на поверхность Земли в видимом диапазоне (свет). Финалом преобразований в пищевых цепочках является освобождение энергии в виде тепла при переработке микробами органических остатков. Вся высвободившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия возвращается поверхностью Земли в мировое пространство главным образом в виде электромагнитного излучения инфракрасного диапазона.
В глобальном энергетическом балансе принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого нашей планетой. За счет этой отрицательной разности энтропии на поверхности Земли возможно образование и поддержание упорядоченных структур (как это происходит и во многих других природных системах). Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность в которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса.
6. Особенности термодинамики, самоорганизации и информационного обмена в живых системах
Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Элементы живого организма (да и всех живых систем вообще) постоянно разрушаются и строятся вновь. Этот процесс носит название биологического обновления. Для его обеспечения требуется непрекращающийся приток извне вещества и энергии, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые функционирующие организмы обязательно являются неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Благодаря потокам вещества и энергии, проходящим через эти системы, они являются также неравновесными. Если условия существования системы неизменны, то указанные потоки постоянны. В этом случае неравновесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динамическим равновесием).
Подобно тому, как в термодинамике равновесных систем особым состоянием является равновесное состояние, в термодинамике неравновесных систем особую роль играют стационарные состояния. Для живых систем, которые всегда неравновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает следующее:
¾ в течение времени жизни системы ее элементы постоянно подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;
¾ для компенсации возникающей в результате распада неупорядоченности в системе совершается работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся; эта работа обуславливает отрицательную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.
Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыслить факт наличия высокой организации в живых системах. Но механизм поддержания такой упорядоченности можно раскрыть, лишь привлекая представления теории управления и кибернетики (науки об управлении и передаче информации в машинах, живых организмах и социальных структурах).
В живой системе реализуется механизм самоуправления и самоорганизации на основе непрерывного обмена информацией с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим организмом реакций, направленных на максимальное его приспособление к изменяющимся условиям. Самоорганизация — это процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне. Самоорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей между ее элементами.
Самоуправление в живых системах и цели, которые оно преследует, имеют многоуровневый характер, а между уровнями существует подчиненность (иерархия). Цель первого порядка — обеспечить существование системы. Она достигается поддержанием неравновесного стационарного состояния, После достижения этой цели живая система осуществляет поддержание постоянства параметров внутренней среды — гомеостаз (цель второго порядка). Гомеостаз является необходимым условием высокого качества функционирования системы. Цель третьего порядка — достижение оптимальных в данных условиях показателей существования живой системы, в частности максимальной энергетической эффективности и надежности ее функционирования.
Важнейшим информационным аспектом в функционировании живых систем является наличие в них так называемых обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации.
Положительные обратные связи осуществляют такой тип регулирования, который уводит состояние живой системы от первоначального, и играют роль «усилителей» процессов жизнедеятельности. Такого рода связь существует между неограниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида животных и их численностью. Наличие одной лишь такой связи привело бы к постоянному росту численности данного вида. Отрицательные обратные связи, наоборот, служат для поддержания стабильной ситуации в живой системе. Они обеспечивают, например, оптимальную численность популяций в биоценозе, стабильную температуру организма и т.д.
Информационные связи в организме осуществляются по нескольким каналам. Гормональная связь носит химический характер. Гормон — химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стимулятора определенных процессов в организме; с кровотоком поступает во все сферы организма, но действует избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волокнам информационных импульсов, подключающих необходимые органы к переработке и восприятию информации. Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяционно-видовом уровне и осуществляется посредством генов.
7. Роль генетического материала в воспроизводстве и эволюции живых организмов
Генный механизм передачи наследственной информации изучается генетикой. Успехи генетики обусловили раскрытие механизма воспроизводства и эволюции жизни на молекулярном уровне. Истоком генетики считают открытие Г. Менделем в 1865 г. корпускулярной природы наследственности. В 1909 г. В. Иогансен ввел основополагающие термины генетики (ген, генотип и др.) и придал модели Менделя четкую форму. В то время понятие «ген» не связывалось с каким-то материальным объектом клетки; ген обозначал просто единицу наследственного отличия. Отождествление гена с частью хромосом было сделано позже американским биологом Т. Морганом. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую природу генов как части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых образует генетический код. Расшифровка структуры генетического кода показала его триплетность, однозначность и универсальность. Триплетность кода означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательно — кодоном — из трех нуклеотидов. Универсальность означает, что код един для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организмов.
Важнейшей составляющей процесса развития любого организма является воспроизводство в клетках по определенному шаблону веществ и структур, необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма. Она в закодированном виде содержит полную информацию для построения белка из запасенного клеткой органического материала. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них белковые молекулы.
Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная молекула РНК - это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция — синтез белка на основе генетического кода информационной РНК.
Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток — свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две совершенно идентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от одной из зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.