§ 34. Системы и их свойства

Определения и обозначения

Система — совокупность взаимосвязанных элементов, образующих целое. Она отличается от простого набора объектов тем, что части не просто соседствуют: они взаимодействуют и совместно обеспечивают свойства или работу целого. Это определение помогает понять, почему для изучения организма недостаточно перечислить его органы.

Элемент системы — часть системы, которую в рамках конкретного анализа рассматривают как неделимую. Это не означает, что элемент невозможно разделить вообще: клетка, например, может быть единицей изучения организма, хотя сама состоит из более мелких структур. Понятие элемента помогает выбрать подходящий масштаб рассмотрения.

Структура системы — способ организации её элементов и связей между ними. Два объекта могут состоять из одинаковых частей, но работать по-разному, если части соединены иначе. Поэтому при анализе системы нужно выяснить не только, что в неё входит, но и как элементы взаимодействуют.

Эмерджентные свойства — свойства целого, возникающие благодаря взаимодействию его элементов и не присущие им по отдельности. Например, отдельные клетки не поддерживают постоянство внутренней среды всего организма, а согласованная работа органов помогает это делать. Это понятие объясняет, почему свойства системы нельзя свести к сумме свойств её частей.

Как это устроено

Систему выделяют из окружающего мира условной границей, то есть определяют, какие объекты будут рассматриваться как её части, а какие — как внешняя среда. Такая граница зависит от вопроса исследования: изучая работу сердца, можно условно сосредоточиться на самом органе, а изучая кровообращение — включить в рассмотрение сосуды и кровь. Граница нужна не для того, чтобы объявить систему изолированной, а чтобы ясно задать предмет анализа.

Связи между элементами сохраняют целостность системы, потому что позволяют частям согласовывать свою работу. Если меняется один элемент, это может повлиять на связанные с ним элементы, а затем распространиться дальше. Например, нарушение работы лёгких меняет поступление кислорода в кровь и может повлиять на деятельность других органов. Поэтому последствия изменений часто нужно оценивать на уровне всей системы, а не одной её части.

Биологические системы образуют иерархию: элементы одного уровня входят в системы более высокого уровня, а сами могут включать системы меньшего масштаба. Клетки образуют ткани, ткани входят в органы, органы — в организм; при этом клетка сама состоит из взаимодействующих структур. Такая организация позволяет изучать жизнь на разных масштабах и связывать процессы, происходящие внутри клетки, с работой организма или сообщества организмов.

Живые системы открыты: через границу они обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Обмен веществами даёт организму материалы для построения и обновления структур, а получение энергии необходимо для жизненных процессов. Информация о внешних условиях помогает реагировать на изменения; без обмена живой организм не смог бы поддерживать свою деятельность и приспосабливаться к происходящему.

Взаимодействие элементов позволяет системе саморегулироваться — поддерживать относительную устойчивость при изменениях. Один из механизмов саморегуляции — обратная связь: результат процесса влияет на его дальнейшее течение. Например, при повышении температуры тела включается потоотделение, а испарение пота охлаждает организм и снижает отклонение. В регуляции участвуют разные элементы, поэтому устойчивость возникает не благодаря отдельному органу, а благодаря согласованной работе системы.

Основные свойства биологических систем

Таблица помогает сопоставить каждое свойство с его смыслом и конкретным проявлением в живой природе. При разборе примера сначала определите, какие части и связи образуют систему, а затем проверьте, какое из свойств описывает их совместную работу. Некоторые свойства могут проявляться одновременно: например, саморегуляция организма связана с его целостностью.

Разбор задач

Задача 1. Определите, является ли организм системой, и назовите несколько его элементов и связей между ними. Для ответа недостаточно перечислить органы: нужно показать, как взаимодействия объединяют их в целое.

1. Выделим объект рассмотрения: организм — целое, границы которого отделяют его от внешней среды.
2. Назовём элементы: сердце, лёгкие, кровеносные сосуды и кровь. В рамках этой задачи каждый из них можно рассматривать как часть организма.
3. Укажем связи: лёгкие обогащают кровь кислородом, сердце перемещает кровь по сосудам, а кровь доставляет кислород тканям. Работа органов поэтому влияет на состояние других частей.

Ответ: организм является системой, потому что его элементы организованы и взаимосвязаны. Пример связей — обмен газами между лёгкими и кровью и перенос крови сердцем по сосудам; именно взаимодействия позволяют частям участвовать в работе целого.

Задача 2. Объясните, почему клетку можно рассматривать одновременно как систему и как элемент ткани. Нужно учесть, что понятия «система» и «элемент» зависят от выбранного уровня анализа.

1. Рассмотрим клетку отдельно: в ней есть взаимодействующие структуры, например мембрана и органоиды. Поэтому клетка является системой.
2. Перейдём на уровень ткани: в её состав входят клетки, которые взаимодействуют друг с другом и образуют более крупное целое.
3. Сопоставим уровни: клетка выступает системой при изучении её внутреннего устройства и элементом при изучении ткани.

Ответ: клетка может быть и системой, и элементом другой системы. Это не противоречие, а следствие иерархической организации живой природы и выбранной границы исследования.

Задача 3. Проследите, как изменение работы одного органа может повлиять на организм, и объясните роль обратной связи в поддержании устойчивости. Рассмотрим перегрев тела и участие кожи в охлаждении.

1. При повышении температуры активнее работают потовые железы кожи. Это изменение одного элемента организма влияет на состояние тела в целом.
2. Пот испаряется с поверхности кожи и уносит тепло, поэтому температура тела снижается. Так изменение работы кожи связано с физическим процессом и ответом организма.
3. Результат — охлаждение — уменьшает исходное отклонение температуры. Такая обратная связь помогает вернуть показатель к более устойчивому уровню.

Ответ: изменение работы органа может вызвать цепочку последствий для всего организма. Обратная связь позволяет соотнести результат реакции с исходным отклонением и поддерживать устойчивость системы.

Типичные ошибки

Считать системой любой набор объектов — ошибка, потому что одного присутствия нескольких частей недостаточно. Её допускают, когда внимание сосредоточено на перечне объектов, а не на их организации. Проверьте себя: можно ли назвать связи между частями и объяснить, как они помогают целому работать? Если нет, перед вами может быть просто набор.

Считать элементы полностью самостоятельными — значит не учитывать влияние связей на свойства системы. Иногда части описывают по отдельности и забывают, что изменение одной из них способно затронуть остальные. Чтобы проверить ответ, проследите возможную цепочку последствий от изменения элемента до системы в целом.

Путать открытость с отсутствием границ неверно: у системы есть граница, но через неё возможен обмен со средой. Такое смешение возникает, если слова «открытая» и «ограниченная» считают противоположностями. Проверьте себя: можно ли определить, что относится к системе, и одновременно назвать то, чем она обменивается с окружением? Для живых систем ответ на оба вопроса — да.

Приписывать отдельной части эмерджентное свойство целого — значит забывать, что оно возникает при взаимодействии элементов. Например, способность организма поддерживать устойчивость нельзя объяснить работой одного органа вне общей регуляции. Проверка проста: спросите, сохраняется ли это свойство у части, если она действует отдельно от остальных; если нет, оно относится к системе.

Связь с другими темами

Для изучения систем полезно знать уровни организации живой природы и различать клетку, ткань, орган и организм. Эти знания помогают определить, какой объект выступает целым, а какой — его элементом, и не смешивать масштабы анализа. Одно и то же образование может быть системой на одном уровне и частью системы на другом.

Системный подход пригодится при изучении клетки, экосистем, саморегуляции организма и эволюции биологических систем. Он помогает связывать строение с функцией и объяснять, как изменения отдельных компонентов влияют на целое. При изучении экосистем особенно важны связи организмов между собой и с окружающей средой.

Что запомнить

• Система — целое, образованное взаимосвязанными элементами.
• Состав системы и связи между её элементами важны в равной мере.
• Границы системы выделяют относительно цели исследования.
• Биологические системы организованы иерархически.
• Живые системы открыты и обмениваются веществом, энергией и информацией.
• Свойства целого могут не быть свойствами отдельных элементов.
• Саморегуляция поддерживает устойчивость системы при изменениях.