Живой организм как открытая система

Живая система относится к типу открытых систем. Ей присущи такие свойства открытых систем, как самоуправляемость, динамичность, нелинейность, адаптивность, устойчивая неравновесность и т.д.

Жизнь – одна из форм движения материи. Вне движения нет и не может быть жизни. Но движение немыслимо без материи, а жизнь невозможна без её материального носителя. Живое тело есть сложная система, образованная из разнокачественных компонентов, органически связанных друг с другом.

Органическая взаимосвязь параметров живой системы проявляется в том, что их невозможно разделить, их можно только абстрагировать, выделить из общей связи с целью изучения. Функции, к примеру, всегда привязаны к тем или иным компонентам системы. Эти функции немыслимы и без структуры, внутреннего взаимодействия компонентов: ведь они рождаются именно в таком взаимодействии. С другой стороны, взаимодействие, структура немыслимы без того, что взаимодействует, без компонентов системы. И компоненты, и структуру, и функции нельзя представить без внешней среды, в которой существует живое. И наконец, живая система – это история, эволюция, неразрывно связанная со средой обитания.

Организм не сумма, а система, т.е. соподчинённая взаимосвязь частей, дающая высшее единство – развивающуюся организацию. Организм – это находящаяся в постоянном обмене веществом, энергией и информацией со средой саморазвивающаяся и воспроизводящая себя целостная система органов, тканей, клеток, взаимодействие которых осуществляется посредством координирующих и регулирующих механизмов.

Организм, однако, не однородное, а разнокачественное целое, каждая из частей которого выполняет специфические функции, отличные от функций других частей. Функция любой части живого организма подчинена его потребностям как целостной системы, все же функции в совокупности и образуют присущий данному организму тип обмена веществ.

Все части организма исключительно точно подогнаны друг к другу в пространстве (взаимное приспособление форм внутренних органов, определённые сочленения костей, мышц и т.д.) и действуют согласованно во времени (они функционируют в строгой последовательности или одновременно, в строго определённые отрезки времени). Между органами имеет место и строгое функциональное взаимодействие (каждый из них пользуется продуктами жизнедеятельности других), а все они вместе в своих морфологических, функциональных и генетических связях определяют специфику целостного организма.

Та или иная часть (орган, ткань) может возникнуть и развиваться не сама по себе, а только в рамках целостного организма, которому она принадлежит. Функции различных органов сами по себе не имеют смысла, их функции целесообразны лишь по отношению к деятельности всех других органов, организма в целом. Все они изменяются и совершенствуются в ходе эволюции живого не как таковые, а лишь как части целостного организма.

Система трансформации энергии включает органы и функции почти закрытого цикла. Организм получает пищу и кислород извне, используя конвертеры движения, распределительную сеть и системы для фильтрации, утилизации и выделения.

Богатые энергией продукты (сахар и жиры) и необходимые сырые материалы (протеины и аминокислоты) проходят через серии конвертеров пищеварительной системы (желудок и кишки). В процессе различных превращений вещества, полученные из сырых продуктов, либо немедленно используются, либо откладываются на хранение для дальнейшего использования. Кислород вдыхается из воздуха легкими, которые одновременно выносят из организма углекислый газ. Кислород, энергия, полученная от пищи и других источников, распределяются по тканям жидкостью (кровью), циркулирующей в сложной сети сосудов. Эта циркуляция поддерживается работой насоса (сердца), способного прокачать от 5,000 до 6,000 литров крови в день. Поскольку продукты метаболизма и газы возвращаются в кровь, необходима система фильтрации, утилизации и выделения для очистки этой живой жидкости. Основными фильтрами являются легкие, почки и печень.

Кровь регенерируется в легких, удаляя углекислый газ и обогащая гемоглобин кислородом. Почки фильтруют и возвращают кровь после ее очистки от продуктов метаболизма, 99% жидкости, проходящей через почки, возвращаются в кровоток, и лишь 1% выделяется из организма в виде мочи. Печень действует как химический фильтр, задерживая и разрушая токсичные для организма вещества.

Система передачи информации состоит из датчиков и памяти; органов обработки, контроля и регуляции; и двух взаимосвязанных коммуникационных сетей: электрохимической (нервы) и химической (гормоны).

Датчики трансформируют сигналы среды в узнаваемые биты информации. Есть датчики фотоэлектричкеские (распознавание света и образов), акустические (распознавание звуков), химические (распознавание запахов), и механические (распознавание прикосновений); они составляют сенсорную систему.

Информация хранится в памяти и поступает в различные зоны спинного и головного мозга – обонятельную, зрительную и слуховую. Контроль и регуляция основных функций тела осуществляются мозгом или напрямую эндокринными железами. Регуляция часто требует кооперации нескольких органов; поэтому так важна внутренняя сеть передачи сигналов. Эта сеть, по природе электрохимическая, обеспечивает проведение электрических импульсов (представляющих информацию) по нервам.

Сеть имеет также химическую природу: выброс эндокринной железой молекулярного сигнала – гормона – в кровоток. Все органы, через которые протекает кровь, получают этот гормон, но инструкция, содержащаяся в гормоне, закодирована и касается только некоторых органов, через которые и осуществляется регуляция. Эти коммуникационные сети – нервная и эндокринная системы.

Тело ограничено кожей и напоминает бурдюк, наполненный на 60% водой. Поскольку органы и их коммуникационные сети не имеют необходимой жесткости, чтобы не дать телу лопнуть под собственной тяжестью, опорную функцию обеспечивает скелет. Многие из 206 костей, составляющих скелет, действуют как рычаги и необходимы в любом движении. Сокращение шести сотен мышц мышечной системы обеспечивает движущую силу, действующую на рычаги или ткани и вызывающую движение тела.

Кожа это барьер, предотвращающий вторжение микробов и чужеродной материи в тело. В случае повреждения кожа ремонтирует себя в процессе регенерации. Чувствительная поверхность кожи благодаря нервным окончаниям способна принимать информацию из окружающей среды. Она также принимает участие в контроле за температурой тела. Тело обладает защитной системой, которая защищает его от атак внешних веществ. Его оружием являются антитела, способные распознавать и разрушать чужеродный протеин, и белые клетки, которые абсорбируют и нейтрализуют опасные для организма бактерии.

Организация тела позволяет человеку воздействовать на окружающую среду и отвечать на информацию или агрессию с ее стороны. Физиологи обнаружили, что реакции человека и животных на эти агрессии сводятся к трем основным линиям поведения: избегание, конфликт и адаптация.

Когда среда становится неприятной, враждебной или опасной организм может ответить отступлением; он попросту меняет условия среды на более комфортные. Он может также атаковать или защищать себя, тем самым сознательно изменять факторы среды, представляющие угрозу, и восстанавливать комфортные условия.

Тело способно постоянно подстраивать себя под новые обстоятельства. Фактически эта подстройка никогда не бывает совершенной. Человек сталкивается с трудностями в процессе полного приспособления к данному окружению; подстройка часто провоцирует фрустрацию, тревогу и болезнь. Тем не менее, они иногда становятся позитивными факторами, составляющими основу сознательных и подсознательных действий, ведущих к изменению или трансформации.

Человек, ощущающий угрозу со стороны среды, готовится к действию. Его тело мобилизует резервы энергии и вырабатывает гормоны (например, адреналин, который подготавливает его к конфликту или отступлению). Такую мобилизацию можно заметить по знакомым физиологическим реакциям. Эмоции, опасность или физическое усилие вызывают учащение сердцебиений и дыхания. Лицо краснеет или бледнеет, а тело потеет. Дыхание становится поверхностным, выступает холодный пот, появляется дрожь в ногах. Эти физиологические проявления отражают усилия тела по поддержанию внутреннего равновесия. Действие может быть произвольным – попить, когда жажда; поесть, когда голодный; теплее одеться, когда холодно; открыть окно, когда слишком жарко – или непроизвольным – дрожание, потение.

Внутреннее равновесие тела, окончательная подстройка для хорошего функционирования, включают поддержание постоянного уровня концентрации в крови некоторых молекул и ионов, важных для жизни, и поддержание специфических уровней других физических параметров (температура). Это все происходит ради изменения среды и приспособления к ней.

Говоря о целостности организма и о его взаимоотношениях с окружающей средой, нельзя не обойти вниманием наличие у организма собственных размерностей пространства и времени. Объективная реальность, геометрия пространства, структура времени отражены в "призме" наших ощущений. Законы физики являются результатом интерпретации той информации, которая прямо или косвенно связана с глазом и мышцей, и сохранена в памяти.

Глаз – это инструмент, который особенно хорошо адаптирован к узнаванию форм, определению изменений и восприятию движения. Мышца человека позволяет ему измерять и сравнивать веса и усилия, давая возможность интерпретировать свои отношения с внешним миром на языке сил. Память аккумулирует и концентрирует время, вписанное в сеть нашего сознания.

Под функциональным пространством понимается собственное пространство конкретных, конечных материальных вещей, явлений и процессов, образующееся в результате последовательной смены их состояний.

Пространство и время возникают вместе с конкретными, конечными материальными объектами, их состояниями, и исчезают в момент их распада.

В природе существует множество примеров, свидетельствующих о наличии у каждого материального объекта (в том числе у элементарных частиц, атомов и молекул, ячеек кристаллов веществ) своего собственного функционального пространства и времени.

Организм взаимодействует со средой как единое целое. В этом смысле он автономен, отграничен от факторов внешней среды, от других организмов. Однако эта автономность относительна. Она заключает в себе различные уровни организации, причём каждый уровень включает нижестоящий как часть в целое и сам, в свою очередь, входит в качестве компонента в систему более высокого порядка. В результате организм выступает как сложная иерархия систем, ему присущ своеобразный иерархический порядок.

Живое – это система звеньев, обладающих свойством двуликого Януса: лик, обращённый в сторону нижележащего звена, является автономным целым, а лик, обращённый к звену вышестоящего уровня, выступает как зависимая часть. Элементы тканей – ткани – органы – системы органов – целостный организм – такова в общем виде иерархия уровней организации живого в рамках целостного организма.

Во всякой целостной системе есть определённая основа, исходный пункт, из которого берут начало все другие её функции, проявления активности. Такой основополагающей функцией является обмен веществ.

Живому организму присуще постоянное самообновление компонентов посредством непрестанного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Организм сохраняет свою системную тождественность более или менее постоянной во времени, несмотря на непрерывный поток энергии и вещества, проходящих через неё. Несмотря на то, что ни один индивидуальный атом в организме не задерживается в составе его клеток дольше сравнительно краткого времени, организм остаётся сегодня тем же, чем был вчера. Жизнь – это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры.

Рассмотрение функционального состояния организма в неразрывной связи со средой даёт возможность определить количественную связь между параметрами внешнего воздействия и теми сдвигами, которые удаётся зарегистрировать в организме.

Однако факторы среды всегда действуют комплексно и, следовательно, вызывают "комплексный" системный ответ живого организма. Следовательно, изменение какого-либо параметра "сложного" действующего фактора влечёт за собой изменение характера реакции организма на действие этого фактора.

Живой организм представляет собой сложную организацию элементов, которые при объединении способны совершить то, чего каждый из них в отдельности никогда не смог бы достичь, то есть функция целого больше, чем сумма функций его частей. Высший организм по своим свойствам и функциям гораздо богаче, чем каждая из образующих его частей.

К наиболее существенным признакам живой системы относятся следующие:

1. Раздражимость – это способность живых систем возбуждаться под воздействием внешних раздражителей и отвечать на них определённым образом. Неживому свойственно простое, пассивное отражение. Оно не различает факторы среды, не выделяет и не использует благоприятные из них и неспособно предохранить себя от неблагоприятных. Живому присуща способность самостоятельного активного избирательного отражения. Эта самостоятельность, активность проявляется в изменении структуры и физиологических особенностей живой системы, её восприимчивости к тем или иным полезным факторам среды и невосприимчивости к вредным, грозящим нарушить её целостность и т.д.

2. Активное начало в организации живого, избирательный характер его отношения к среде находят своё конкретное выражение в способности к самоуправлению, саморегуляции. Живая система является самоуправляемой, то есть обладает свойством приспосабливаться к условиям постоянно изменяющейся среды, автоматически перестраиваться под её воздействием в целях лучшего приспособления. Живой организм есть саморегулирующаяся система, которая сама себя поддерживает, исправляет, уравновешивает и даже совершенствует.

3. Из самоуправляемого характера живой системы вытекает и такой её существенный признак, как наличие особой формы взаимосвязи материальных объектов – информации, причём обмен информацией имеет место между компонентами самой системы, а также между системой и внешней средой. Во многом благодаря информационному обмену со средой живая система сохраняет свою целостность, уравновешенность. Подобно тому, как музыкальное произведение представляет собой строгую гармонию, определённое сочетание во времени разнообразных звуков, жизнь есть столь же строгая последовательность и согласованность химических процессов, физико-химических, морфологических и физиологических изменений.

4. Важной особенностью живой системы на уровне протоплазмы является то, что составные части последней – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры – имеют асимметричное строение.

5. Проявления структурной и функциональной сложности многообразны и связаны с большим количеством возможных состояний.

6. Со сложностью связана многомерность и многосвязность биосистем, проявляющаяся в большом количестве разнородных параметров, в многообразии связей между однородными и разнородными параметрами, характеризующими работу данной биосистемы.

7. Для биосистем характерна качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной биосистемы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).

8. Временная неоднородность биосистем проявляется в том, что в одной функциональной биосистеме взаимодействуют в достижении одного и того же результата подсистемы с разными постоянными времени: медленнодействующие (биохимические, гормональные); быстродействующие (нервная); сверхбыстродействующие (речевая, мыслительная, вторая сигнальная).

9. Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии.

10. Неравновесность –постоянное стремление живого организма к состоянию устойчивого неравновесия. Живая система, являясь открытой, способна функционировать только за счёт свободной энергии, поступающей из внешней среды. Принцип устойчивого неравновесия утверждает, что живые системы никогда не бывают в равновесии и всегда исполняют за счет своего запаса живой энергии работу против равновесия. Равновесие для живой системы равнозначно смерти.

Следовательно, наряду с механизмом, который направлен на поддержание равновесия и гомеостаза в каждый момент времени, существует механизм, обеспечивающий нарушение гомеостаза и тем самым осуществляющий выполнение программы развития организма. И если стабильность внутренней среды организма – закон существования организма, то запрограммированное нарушение гомеостаза – закон развития организма. Поэтому с законом постоянства внутренней среды сосуществует закон отклонения гомеостаза.

Система "стремится" получить запрограммированный полезный результат и ради него может пойти на самые большие возмущения во взаимодействии своих компонентов. Следовательно, центральным пунктом, ради которого происходят "изменения состояния системы", является результат. Именно он в случае затруднённого его получения может привести всю систему в крайне беспокойное и неустойчивое состояние.

Конструктивная роль неравновесия, таким образом, составляет сердцевину законов природы. Но ведь и неживые системы обнаруживают неравновесные состояния. Но если в неживых системах причиной их неравновесия является влияние внешней среды, то в живых системах, в организмах такая причина заключается в них самих, в их внутренней энергии.

Отсюда не следует, что живая система не нуждается в энергии извне. Но внешняя энергия, поступающая, например, с пищей, действует в организме не сама по себе, как таковая, а трансформируется в специфическую свободную энергию живой системы, в энергию, способную производить работу, обеспечивая неравновесное состояние системы.

Эта специфическая энергия, присущая только живым системам, является результатом функционирования особым образом организованной "химической машины", которая и вырабатывает специальное, необходимое только живой системе "горючее". Таким "горючим" является энергия, содержащаяся в пирофосфатных связях АТФ. Именно это "горючее" обеспечивает неравновесие живой системы, которое является основой её существования в отличие от системы неживой, где неравновесие выступает результатом разрушения.

Контрольные вопросы по теме:

1. Понятия «система», «функциональная система». Разновидности систем.

2. Системообразующие признаки.

3. Структура. Структурные характеристики системы.

4. Функции. Функциональные характеристики системы.

5. Черты открытой системы.

6. Динамика систем. Позитивный и негативный отклики. Потоки и резервуары.

7. Динамика поддержания и изменения. Динамическая стабильность. Гомеостазис.

8. «Закон наименьших» Робертсона-Богданова.

9. Стратегия управления поведением открытых систем (10 требований управления поведением системы).

10. Живой организм как открытая система.

11. Наиболее существенные признаки живой системы.