§ 35. Самоорганизация в живых системах

Определения и обозначения

Самоорганизация — возникновение и поддержание упорядоченного состояния системы благодаря взаимодействию её частей, без внешнего управления каждым элементом. Это понятие помогает объяснить, как множество отдельных процессов складывается в согласованную работу организма. Порядок при этом не означает, что все части действуют одинаково или неподвижно.

Открытая система обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живому организму этот обмен необходим, потому что вещества расходуются, а процессы жизнедеятельности требуют энергии. Без поступления ресурсов и удаления продуктов обмена внутреннее состояние не могло бы долго сохранять упорядоченность.

Обратная связь — влияние результата процесса на его дальнейшее протекание. При положительной связи результат усиливает исходное изменение, а при отрицательной — ослабляет его. Это различие позволяет понять, почему одни процессы разгоняются, а другие помогают удерживать параметры в определённых пределах.

Устойчивое состояние — состояние системы, к которому она возвращается после небольшого возмущения или которое сохраняет при изменениях условий. Оно не обязательно остаётся совершенно неизменным: внутри системы могут непрерывно идти процессы и обмен. Понятие нужно, чтобы отличать способность системы сохранять порядок от полной неподвижности.

Как это устроено

Порядок в живой системе появляется не потому, что каждая её часть работает изолированно и безошибочно, а благодаря согласованию между элементами. Взаимодействия связывают отдельные процессы: изменение в одной части может повлиять на соседние и вызвать ответ всей системы. Поэтому результатом становится не простая сумма действий, а упорядоченная работа целого. Если связи нарушены, отдельные элементы могут продолжать действовать, но согласованность системы снижается.

Организм поддерживает внутреннюю упорядоченность, хотя его компоненты постоянно расходуются, обновляются и изменяются. Это возможно благодаря обмену веществом и энергией со средой: поступившие вещества используются для построения и обновления структур, а энергия — для протекания процессов. Одновременно организм удаляет продукты обмена и рассеивает часть энергии. Следовательно, поддержание порядка требует непрерывных затрат и не означает изоляции от внешнего мира.

Обратные связи помогают согласовывать процессы, потому что результат одного этапа влияет на следующий. Если изменение параметра запускает ответ, который уменьшает исходное отклонение, действует отрицательная обратная связь; так система может возвращаться к устойчивому состоянию. Если же результат усиливает первоначальное изменение, связь положительная. Она может быстро развивать процесс, но обычно действует до достижения определённого результата или ограничения, иначе усиление продолжалось бы бесконечно.

Самоорганизация заметна на разных уровнях организации живой природы, поскольку взаимодействия есть и между молекулами, и между органами, и между организмами. На клеточном уровне согласуются процессы внутри клетки, а на уровне организма взаимодействуют органы и системы органов. В популяции или экосистеме состояние зависит от отношений между особями, популяциями и ресурсами. На каждом уровне возникает порядок, соответствующий связям между его элементами.

Возмущения и случайные изменения могут нарушать сложившийся порядок, но их последствия зависят от структуры связей и регуляции. Если взаимодействия способны компенсировать отклонение, система сохраняет или восстанавливает прежнее состояние. Если условия меняются существенно, прежний режим может стать недостижимым, и система перейдёт к другому состоянию. Поэтому устойчивость — это способность отвечать на изменения, а не гарантия неизменности при любых обстоятельствах.

Проявления самоорганизации в живых системах

Используйте таблицу, чтобы сопоставить уровень системы с тем, какие элементы в ней взаимодействуют и какой порядок в результате возникает. В последнем столбце ищите факторы, способные поддерживать состояние или менять его. Примеры в таблице показывают общую логику, а не единственные процессы, характерные для каждого уровня.

Разбор задач

Почему клетка не является замкнутой системой?

Условие. Клетка поддерживает упорядоченное внутреннее состояние, но нужно объяснить, почему это не позволяет считать её замкнутой системой. Замкнутая система не обменивается с окружением веществом и энергией. Значит, следует выяснить, нужны ли клетке внешние ресурсы для сохранения порядка.

1. Клетка получает из окружающей среды вещества, используемые в обмене и построении клеточных компонентов. Без такого поступления восполнение расходуемых ресурсов было бы невозможно. Значит, обмен веществом происходит.
2. Клеточные процессы требуют энергии, а часть энергии рассеивается в окружающую среду. Клетка также удаляет продукты обмена. Следовательно, обмен с внешней средой затрагивает и энергию, и вещества.
3. Сопоставляем эти факты с определением замкнутой системы. Клетка обменивается с окружением, поэтому она является открытой, а поддержание порядка обеспечивается не изоляцией, а постоянным обменом.

Ответ. Клетка не замкнута, потому что получает вещества и энергию и отдаёт продукты обмена и часть энергии. Этот обмен позволяет обновлять компоненты и поддерживать внутреннюю упорядоченность. Без него клетка не могла бы длительно сохранять своё состояние.

Какой тип обратной связи действует при повышении температуры тела?

Условие. При повышении температуры тела запускаются процессы, способствующие её снижению. Нужно определить тип обратной связи и объяснить роль ответа. Для этого сравним направление вызванного изменения с первоначальным отклонением.

1. Первоначальное отклонение — повышение температуры относительно подходящего для организма уровня. Это изменение запускает ответные процессы. Пока температура выше нужного уровня, отклонение сохраняется.
2. Ответ способствует снижению температуры, то есть действует против первоначального повышения. Он уменьшает величину отклонения, а не усиливает его. По этому признаку обратная связь является отрицательной.
3. Определяем роль механизма: снижение температуры помогает вернуть параметр к устойчивому состоянию. Если бы ответ усиливал нагрев, он увеличивал бы отклонение. Здесь же обратная связь ограничивает изменение.

Ответ. Это отрицательная обратная связь. Она запускает процессы, ослабляющие первоначальное повышение температуры, и тем самым способствует стабилизации состояния организма. Ключевой признак — ответ направлен против исходного отклонения.

Как взаимодействие численности и ресурсов может привести к устойчивым колебаниям?

Условие. Изменение численности популяции влияет на доступность ресурсов, а ресурсы, в свою очередь, влияют на дальнейшее изменение численности. Нужно объяснить, как такая взаимозависимость может поддерживать колебания. Следует проследить обе причинно-следственные связи, а не рассматривать только одну из них.

1. Если численность растёт, больше особей используют доступные ресурсы. Их количество на одну особь может уменьшаться, поэтому условия для дальнейшего роста ухудшаются. Это связывает увеличение численности с последующим ограничением её роста.
2. Если ресурсов становится меньше, популяция может сокращаться или расти медленнее. При уменьшении численности нагрузка на ресурсы ослабевает, и они могут становиться доступнее. Изменение ресурсов тогда влияет на численность в обратном направлении.
3. Взаимодействие этих влияний способно вызывать чередование увеличения и уменьшения численности. При определённых условиях изменения не прекращаются, а повторяются в ограниченном диапазоне. Такое динамическое состояние может быть устойчивым, хотя оно не является неподвижным равновесием.

Ответ. Рост численности повышает нагрузку на ресурсы, а их нехватка способна ограничить численность. Сокращение популяции снижает нагрузку и может улучшить доступность ресурсов, после чего численность снова меняется. Так взаимные связи могут поддерживать устойчивые колебания, то есть динамическое состояние системы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать самоорганизацию полной независимостью от среды. Её допускают, когда сосредотачиваются на внутреннем взаимодействии элементов и забывают об обмене организма с окружением. Проверьте себя: спросите, откуда система получает вещества и энергию и куда удаляет продукты обмена. Если обмен необходим, система не изолирована.

Ошибка: представлять самоорганизацию как действие внешнего «руководителя». Такое представление возникает, когда упорядоченность принимают за результат единой команды. Проверьте объяснение: в нём должны быть названы взаимодействия элементов и регуляторные связи, а не управляющий каждой частью внешний центр. Внешние условия могут влиять на систему, но это не то же самое, что управлять каждым её элементом.

Ошибка: смешивать положительную и отрицательную обратную связь. Путаница появляется, если названия связывают с оценкой результата — хорошим или плохим. Проверьте направление влияния: положительная связь усиливает исходное изменение, отрицательная ему противодействует. Ориентируйтесь на то, растёт отклонение или уменьшается.

Ошибка: отождествлять устойчивость с неизменностью. Так считают, если принимают устойчивое состояние за полное отсутствие процессов. Проверьте себя: устойчивость может означать возвращение после возмущения или сохранение состояния при меняющихся условиях. Если система регулирует процессы и обменивается ресурсами, её состояние поддерживается непрерывной работой.

Связь с другими темами

Для понимания самоорганизации нужно знать уровни организации живой природы, обмен веществ и энергии, а также основы регуляции и гомеостаза — поддержания относительного постоянства внутренней среды. Эти знания помогают увидеть, как отдельные процессы связаны в систему и почему организму требуется обмен с окружением. Понятия пригодятся при изучении саморегуляции организма, развития биологических систем и динамики популяций и экосистем. Там важно учитывать и устойчивость, и возможность изменения состояния.

Что запомнить

• Самоорганизация — упорядочение системы за счёт взаимодействия её элементов.
• Живые системы открыты и обмениваются веществом и энергией со средой.
• Обратные связи участвуют в регуляции процессов.
• Отрицательная обратная связь обычно ослабляет отклонение.
• Положительная обратная связь усиливает изменение.
• Устойчивое состояние не обязательно означает отсутствие изменений.