Живой организм как самоорганизующаяся система

Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Элементы живого организма 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 такженеравновесными.Если условия существования системы неизменны, то указанные потоки постоянны. В этом случае неравновесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют такжединамическим 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:

1)    в течение времени жизни системы ее элементы постоянно подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;

2)    для компенсации возникающей в результате распада неупорядоченности в системе совершается работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся; эта работа обусловливает отрицательную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.

Все функции живых систем, требующие расходования энергии, должны обеспечиваться внешними источниками. Ими являются органические вещества с запасенной в них химической энергией. Часть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ. Например, из углекислого газа и воды под действием солнечного света (такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окисления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называютсяавтотрофами. Большинство автотрофов – это зеленые растения. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемыхгетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.

Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность (негэнтропию) из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается путем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения Солнца.

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.

Так, при фотосинтезе в автотрофах энергия световых квантов запасается в виде энергии химических связей в молекулах органических веществ. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, бедные энергией неорганические вещества – СО₂и Н₂О. Из них строятся сложные богатые энергией питательные вещества:

СО₂ + Н₂О —> С₆Н₁₂О₆ (углевод) + О₂.

Извлечение энергии из питательных веществ происходит при их расщеплении (катаболизме), когда химическая энергия освобождается и расходуется на синтез в организменеобходимых ему органических веществ (анаболизм). При использовании кислорода (дыхании)расщепление приводит к бедным энергией конечным продуктам:

Органика + О₂ —> СО₂ + Н₂О + энергия.

Исходной органикой могут служить глюкоза, жиры и др. Последнее уравнение одинаково с уравнением горения, однако при дыхании энергия выделяется малыми порциями. Регулирование процесса выделения энергии позволяет запасать ее часть для быстрого использования в определенной ситуации в нужном месте организма. Хранение энергии производится в форме химической энергии промежуточного соединения – уже упоминавшегося нами аденозинтрифосфата (АТФ). Это вид нуклеиновых кислот с высокоэнергетическими связями, при разрыве которых освобождается необходимая организму энергия. Эта энергия затрачивается на процессы синтеза в клетках, работу по переносу веществ в организме, механические движения, выделение тепла и т. д. Таким образом, весь поток энергии, поступающий из окружающей среды в форме химической энергии пищевых продуктов, проходит через стадию высокоэнергетических связей АТФ.

Между двумя типами организмов – авто- и гетеротрофами – существуют пищевые (трофические) связи. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растениями, передается через травоядных к хищникам; заключительнымзвеном 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 инфракрасного излучения, переизлучаемого Землей. 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.

Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыслить факт наличия высокой организации в живых системах. 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 организмов является наличие в них так называемых обратных связей.Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации.

Положительные обратные связиосуществляют 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.