Особенности биологических систем

Начиная с определенного уровня молекулярной сложности живые системы отли­чаются от неживых:

1) способностью к самосохранению;

2) множественной дупликацией;

3) спецификой химического состава;

4) особым сочетанием открытости и автономности;

5) способностью к прогрессивной эволюции.

Способность к самосохранению достигается наличием в живых системах материализованных программ охранительного поведения, благодаря которым:

а) у всех биологических форм есть множественное матричное воспроизведение, копирование (принцип конвариантной редупли­кации Тимофеева-Ресовского);

б) у разных биологических форм реализуются различные морфофизиологические и поведенческие средства защиты или избега­ния повреждающих внешних воздействий;

в) возможна эффективная замещающая компенсация и/или реге­нерация наступивших повреждений. К последней категории может быть отнесено и экологическое дублирование, когда в экосистемах одни виды замещаются другими.

Специфика химического состава биологических систем заключает­ся в «выборе» шести легких неметаллов (С, Н, N, О, Р, S) — биоген­ных элементов, образующих все многообразие органических веществ на основе углеродных каркасов, и их молекулярной диссимметрии: жи­вое вещество состоит исключительно из левовращающих аминокислот и правовращающих Сахаров (закон хиральной чистоты Л. Пастера). След­ствием этого закона является невозможность «автотрофности челове­чества»: искусственное получение продуктов питания путем абиоген-ного синтеза лимитируется сложностью выделения соответствующих стереоизомеров из конечных продуктов.

С уже упомянутым постулатом открытости живых систем может быть сопоставлен принцип их относительной автономности В.Н. Бекле­мишева (1964).

Принцип относительной автономности живых систем:биоло­гические системы относительно замкнуты (автономны), что обеспе­чивает их гомеостатичность.

Относительная замкнутость биосистем проявляется в:

• избирательной ассимиляции веществ, поступающих из ок­ружающей среды;

• регуляции количества поступления и выделения веществ (против градиента концентраций) и энергии;

• элиминации нарушенных факторами среды генотипов;

• «запрете» вселения чужих видов в климаксные сообщества. Следствием способности к множественному воспроизведению являет­ся правило максимального «давления жизни»:

Правило максимального «давления жизни»:при отсутствии огра­ничений организмы размножаются в геометрической прогрессии с Интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число.

Однако давление жизни в каждом конкретном случае ограниче­но емкостью среды, конечными объемом пространства и количеством пищи, межвидовыми отношениями, взаимоприспособленно­стью различных групп организмов. Это ограничение иногда обозна­чают как закон сопротивления среды Ч. Дарвина.

Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности:каждый биологический вид адаптирован к строго опре­деленной, специфичной для него совокупности условий жизни — экологической нише.

В живой природе наблюдается постоянное сохранение веществен­ной, энергетической и информационной структуры, хотя она и не­сколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (Goldsmith, 1981) обозначил как законы экодинамики:

1) закон сохранения структуры биосферы — ее материальной и информационной организации;

2) закон стремления к климаксу, т.е. достижению экологической зре­лости и равновесности экосистем. По отношению к развитию отдель­ных экосистем во времени данная закономерность реализуется в виде определенной последовательности смены биоценозов — сукцессии;

3) закон экологического порядка, различные по происхождению (геологическому времени и географическому положению) подсистемы биосферы упорядочены и дополняют друг друга, образуя единое целое;

4) закон саморегуляции биосферы: биосфера поддерживается в равновесном состоянии автогенными регуляторными процессами на всех уровнях организации экосистем.

Принято считать, что живыми организмами заполнено все дос­тупное для жизни пространство на планете, все экологические ни­ши биосферы. Из «всюдности» жизни и закона сохранения структу­ры биосферы вытекает сформулированный В. И. Вернадским закон константности количества живого вещества.

Закон константности количества живого вещества:количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа.

Такое постоянство распространяется и на число видов, и на их распределение в географических зонах (Реймерс, 1994). Это означа­ет, что существенное увеличение числа или массы каких-либо орга­низмов за относительно короткий промежуток времени может про­исходить только за счет уменьшения числа или массы других орга­низмов. Рост человечества и всей связанной с людьми инфраструк­туры (начиная с некоторого исторического количественного порога) осуществляется за счет уменьшения биоразнообразия, биомассы и продуктивности биосферы.

Согласно принципу Ле Шателье любое частное изменение в слож­ной системе неизбежно вызывает цепь реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей. Взаимодействия между компонентами биосистем при их изменении, как правило, существенно нелинейны. Поэтому измене­ние одного из параметров системы может быть погашено в следующем звене цепи реакций или, наоборот, вызвать сильные отклонения дру­гих параметров или всей системы в целом. Выход какого-либо из эко­логических факторов за пределы минимальных (пороговых) или мак­симальных (экстремальных) значений свойственной данному виду зо­ны толерантности грозит гибелью организма даже при оптимальном сочетании других факторов (закон критических величин, закон лимити­рующего фактора). Эти положения, по существу, подводят к упомяну­тому выше закону оптимальности.

Закон оптимальности тесно связан с другим, одним из цен­тральных принципов экологии — законом толерантности, или правилом Шелфорда.

Закон толерантности (правило Шелфорда):благополучие попу­ляции или вида организмов в определенной среде зависит от ряда экологических факторов, для каждого из которых существует опре­деленный диапазон выносливости, или толерантности (от лат. tolerantia — терпение) организма.

Совмещение зон толерантности образует экологическое простран­ство существования популяции или вида — его экологическую нишу.

Касаясь системных черт взаимоотношений между человече­ским обществом и живой природой, нельзя не попытаться сопос­тавить «творческие потенциалы» этих двух систем. Многое из то­го, что создал человек, природа не имеет, но не потому, что не могла создать, а потому, что, условно говоря, не посчитала нуж­ным или испробовала и не стала развивать, отказалась. Так было с колесом, электродвигателем, радиосвязью. Человеческая техника превзошла возможности живых организмов по таким характери­стикам, как прочность, мощность, концентрация энергии, ско­рость движения, дальность передачи сигналов и т.п. Но по изо­бретательности использования законов природы, по принципам, оригинальности, совершенству и красоте конструктивных реше­ний, экономичности и эффективности, здравому смыслу, наконец, технические устройства намного уступают биологическим систе­мам. После недолгого сопротивления это вынуждена была при­знать бионика — наука о применении принципов действия живых систем и биологических процессов для решения инженерных за-Дач. Чтобы убедиться в этом, достаточно сопоставить полные «технико-экономические» параметры в таких гомологических па­рах, как: автомобиль — лошадь; подводная лодка — дельфин; сол­нечная батарея — лист растения; гидравлический компрессор — сердце; компьютер — человеческий мозг. Бионика лишь переводит гениальные находки и идеи природы на язык человеческой техни­ки и решает их другими средствами.

Превосходство живого в полной мере относится и к экологиче­ским системам. Это касается не только более высокой лабильности природных систем по сравнению с искусственными. Принцип «природа знает лучше» (это также один из «законов экологии» Б. Коммонера) определяет прежде всего то, что может и что не должно иметь места в биосфере. Возможность и право такого «зна­ния» выработаны на протяжении миллиардов лет в бесчисленном чередовании актов отбора, проб и ошибок, в тщательнейшей под­гонке каждого вещества, каждой новой органической формы ко всему комплексу условий существования, к огромному множеству других веществ и форм. Природа «знает» лучше, потому что ее практический опыт несравненно больше практического опыта че­ловека. Именно поэтому вне эгоистических целей человека природу нельзя улучшить; можно только исправить те нарушения в живой природе планеты, причиной которых является человек.

Главный критерий эволюционного отбора —вписанность в глобальный биотический круговорот, увеличение его эффективно­сти, заполненность всех экологических ниш, исключение «мертвых зон» в сети природных взаимосвязей.

У любого вещества, выработанного организмами, должен существо­вать разлагающий его фермент. И все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. Такова жизнь. С каждым биологическим ви­дом, который нарушал этот закон, уменьшая замкнутость биотического круговорота, эволюция рано или поздно беспощадно расставалась, на­ходя организмы-«заместители», способные восстановить замкнутость экологических циклов.

Человеческая индустриальная цивилизация очень быстро и грубо нарушает замкнутость биотического круговорота в глобальном мас­штабе, что не может остаться безнаказанным. В этой критической ситуации должен быть найден компромисс и выработаны условия его принятия. Это можем сделать только мы. Недаром Б. Коммонер в лекции «Экология и социальные действия», прочитанной им два года спустя после выхода в свет книги «Замыкающийся круг», внес по­правку в формулировку закона: «Природа знает лучше, что "делать, а люди должны решить, как сделать это возможно лучше».