Экология: биология взаимодействия. 1.05. Уровни организации биосистем
Биологические системы организованны иерархически, и на каждом уровне осуществляется регуляция, использующая сходные принципы. Получивший развитие в конце XX века системный подход, восходящий в своем развитии к Людвигу фон Берталанфи, связан с тем, что системы, состоящие из сходно взаимосвязанных ...
Українська мова (найновіша версія) / російська версія (оновлення припинено)
1.04. Історія екології
Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає
1.06. Підходи до вивчення біосистем
1.05. Рівні організації біосистем
Уся жива матерія постає перед нами як одне ціле, як один величезний організм, що запозичує свої елементи з резервуара неорганічної природи, доцільно керує всіма процесами свого прогресивного й регресивного метаморфозу і, нарешті, віддає знову все запозичене назад мертвій природі.
С. М. Виноградський. Лекція перед імператорською родиною 8 грудня 1896 р.
Екологія розглядає взаємозв'язки з середовищем існування живих систем: організмів, популяцій, екосистем, біосфери. Щоб розібратися в різноманітті цих біосистем, необхідно розглянути саме поняття «система». Воно походить від грецького systema — складене з частин; поєднання. За одним із найпростіших, але цілком придатних для цього випадку визначень, система є впорядкованим цілим, що складається з взаємопов'язаних частин.
Аристотелю, «батькові всіх наук», належить афоризм: «ціле більше за суму своїх частин». Що він мав на увазі? Зрозуміло, що в деяких випадках (наприклад, при додаванні) ціле якраз і є сумою своїх частин! Наприклад, вага комп'ютера точно дорівнює вазі всіх його комплектуючих. Але чи мають комплектуючі комп'ютера, взяті окремо, здатність обробляти дані, перетворювати й відтворювати зображення, приймати й передавати інформацію? Звісно, цих якостей деталі комп'ютера набувають лише тоді, коли їх поєднано певним чином. Саме тому, даючи визначення системи, ми підкреслили, що вона є впорядкованим цілим.
Отже, властивості систем можна поділити на дві групи: ті, що є сумою властивостей її частин, і ті, що виникають у системи як у єдиного цілого. Назвемо ці властивості. Адитивні властивості системи (лат. additio — додавання) є сумою властивостей її частин. Якісно нові властивості системи називаються емерджентними (лат. emergere — виринати, з'являтися). Доволі часто англійський прикметник «emergent» передають російською як «эмерджентный», що не відповідає усталеній традиції передачі літери «g» у термінах: ми ж говоримо й пишемо «ген», а не «джен», попри англійське «gen»!
Біологічні системи організовані ієрархічно, і на кожному рівні здійснюється регуляція, що використовує подібні принципи. Наприкінці XX століття набув розвитку системний підхід, що походить від Людвіга фон Берталанфі. Він ґрунтується на тому, що системи, які складаються з подібно взаємопов'язаних частин, мають подібні цілісні (емерджентні) властивості.
Порівнюючи системи різного рівня, можна побачити між ними багато спільного, а можна й знайти риси специфічності кожного з рівнів. Осмислення цих закономірностей вилилося в концепцію структурних рівнів організації біосистем, яка почала розвиватися в 30-х роках XX століття, а остаточно склалася в 60-х роках. Так, прийнято виділяти такі рівні організації біосистем: молекулярний — (генний) — (субклітинний) — клітинний — (органно-тканинний) — (функціональних систем) — організмовий — популяційний — біогеоценотичний — біосферний. У наведеному списку рівні, взяті в дужки, можна вважати відносно менш важливими, ніж рівні без дужок.
Різні рівні біосистем слід виділяти тому, що кожний із рівнів характеризується властивостями, відсутніми на нижчих рівнях. Універсальний перелік рівнів організації біосистем скласти неможливо. Залежно від того, які біосистеми і з якої точки зору вивчаються, треба виділяти більше або менше рівнів, на кожному з яких виникають певні емерджентні властивості. Доцільно виділяти таку кількість рівнів, щоб кожному з них були притаманні властивості, вивчення яких на нижчому й вищому рівнях неможливе. Повне вивчення системи повинно включати також вивчення систем вищого і нижчого порядку («надсистем» і підсистем).
Так, демографічна структура популяції відсутня на рівні окремого організму, а феномен людської свідомості відсутній на рівні окремих структур мозку. Феномен життя виникає на клітинному рівні, а феномен потенційного безсмертя — на популяційному. Організм є одиницею природного добору. Специфіка біогеоценотичного рівня пов'язана зі складом його компонентів і колообігом речовин (що супроводжується потоками енергії та інформації), а біосферного рівня — із замкненістю колообігів речовин. Приклади емерджентних властивостей деяких біосистем наведено в таблиці 1.5.1.
Таблиця 1.5.1. Приклади біосистем різних рівнів та їхніх емерджентних властивостей
Рівень
Приклад
Емерджентні властивості
Молекулярний
Молекула білка
Має характерну конформацію, здатна до виконання певних функцій у клітині
Клітинний
Клітина
Має основні властивості живих систем: здатна до обміну речовин, розмноження тощо. В одноклітинних має властивості організму, у багатоклітинних призначена для виконання певної функції
Органно-тканинний
Нейронна мережа
Керує клітинною життєдіяльністю (поділом, обміном речовин, функціональною активністю). Здатна до обробки інформації та виконання певних кібернетичних функцій
Організмовий
Особина
Є одиницею природного добору: як ціле гине або виживає і розмножується. Має індивідуальність, що виникає внаслідок онтогенезу
Популяційний
Популяція роздільностатевих організмів
Має потенційне безсмертя і здатність до еволюції. Характеризується певною статевовіковою, просторовою, генетичною, ієрархічною структурою
Біогеоценотичний
Біогеоценоз
Здатний до розвитку (сукцесії), здійснює частково замкнений колообіг речовин
Біосферний
Біосфера
Здійснює замкнені біогеохімічні цикли (з урахуванням обміну речовиною з космосом і земними надрами). Регулює деякі властивості планети (гіпотеза Геї). Здатна до біосферної еволюції
Виділення надорганізмових структурних рівнів біосистем може здійснюватися за двома різними принципами. З екологічної (функціонально-енергетичної) точки зору, популяція є частиною біогеоценозу, а він — частиною біосфери. Цей підхід загалом відповідає екологічному визначенню популяції. З філетичної (пов'язаної з філами — еволюційними гілками), тобто генетико-еволюційної точки зору, популяція є частиною виду й надвидових таксонів (що відповідає генетичному підходу до визначення популяції, див. пункт 4.1).
Додаткові матеріали:
Навчальна модель: Рівні біосистем
Колонка: Багаторівневі жаби
Українська / Русский
1.04. Історія екології
Д. Шабанов, М. Кравченко. Екологія: біологія взаємодії
Розділ 1. Екологія і біосистеми, які вона вивчає
1.06. Підходи до вивчення біосистем