Биологическая организация
Биологическая организация — это организация сложных биологических структур и систем , определяющих жизнь с использованием редукционистского подхода. [1] Традиционная иерархия, как подробно описано ниже, простирается от атомов до биосфер . Высшие уровни этой схемы часто называют концепцией экологической организации или полевой , иерархической экологией .
Каждый уровень иерархии представляет собой увеличение организационной сложности , при этом каждый «объект» в основном состоит из базовой единицы предыдущего уровня. [2] Основным принципом организации является концепция эмерджентности : свойства и функции, обнаруженные на иерархическом уровне, отсутствуют и не имеют значения на более низких уровнях.
Биологическая организация жизни — фундаментальная предпосылка для многих областей научных исследований , особенно в медицинских науках . Без этой необходимой степени организации было бы гораздо труднее — и, вероятно, невозможно — применить изучение воздействия различных физических и химических явлений на болезни и физиологию (функции организма). Например, такие области, как когнитивная и поведенческая нейробиология, не могли бы существовать, если бы мозг не состоял из определенных типов клеток, а основные концепции фармакологии не могли бы существовать, если бы не было известно, что изменения на клеточном уровне могут повлиять на весь организм. организм. Эти приложения распространяются на экологический также уровень. Например, действие ДДТ прямое инсектицидное происходит на субклеточном уровне, но влияет на более высокие уровни, включая многочисленные экосистемы . Теоретически изменение одного атома могло бы изменить всю биосферу .
Уровни [ править ]
Простая стандартная схема биологической организации, от низшего уровня к высшему, выглядит следующим образом: [1]
| Для уровней меньше атомов см. Субатомные частицы. | ||
| Аклеточный уровень и Доклеточный уровень |
Атомы | |
| Молекула | Группы атомов | |
| Биомолекулярный комплекс | Группы (био)молекул | |
| Субклеточный уровень | Органелла | Функциональные группы биомолекул, биохимические реакции и взаимодействия. |
| Клеточный уровень | Клетка | Основная единица всей жизни и группировка органелл. |
| Суперклеточный уровень (Многоклеточный уровень) |
Салфетка | Функциональные группы клеток |
| Орган | Функциональные группы тканей | |
| Система органов | Функциональные группы органов | |
| Экологические уровни | Организм | Основная живая система, функциональная группа компонентов более низкого уровня, включающая хотя бы одну клетку. |
| Население | Группы организмов одного вида | |
| Гильдия | Межвидовые группы организмов, несущие одну и ту же экологическую функцию (т.е. травоядные ). | |
| Сообщество (или биоценоз ) |
Гильдии из всех биологических доменов и их взаимодействие в определенной локации. | |
| Экосистема | Группы организмов во взаимодействии с физической ( абиотической ) средой. | |
| Биом | Континентального масштаба (климатически и географически смежные территории со схожими климатическими условиями) группировка экосистем. | |
| Биосфера или Экосфера |
Вся жизнь на Земле или вся жизнь плюс физическая (абиотическая) среда. [3] | |
| Для уровней больше, чем Биосфера или Экосфера, см. Расположение Земли во Вселенной. | ||
Более сложные схемы включают в себя гораздо больше уровней. Например, молекулу можно рассматривать как группу элементов , а атом можно разделить на субатомные частицы (эти уровни находятся за пределами биологической организации). Каждый уровень также может быть разбит на свою иерархию, а отдельные типы этих биологических объектов могут иметь свою иерархическую схему. Например, геномы можно подразделить на иерархию генов . [4]
Каждый уровень иерархии может быть описан его нижними уровнями. Например, организм может быть описан на любом из уровней его компонентов, включая атомный, молекулярный, клеточный, гистологический (ткань), уровень органа и системы органов. Более того, на каждом уровне иерархии появляются новые функции, необходимые для управления жизнью. Эти новые роли не являются функциями, на которые способны компоненты более низкого уровня, и поэтому их называют эмерджентными свойствами .
Каждый организм организован, хотя и не обязательно в одинаковой степени. [5] Организм не может быть организован на гистологическом (тканевом) уровне, если он изначально не состоит из тканей. [6]
Возникновение биологической организации [ править ]
Считается, что биологическая организация возникла в раннем мире РНК, когда цепи РНК начали выражать основные условия, необходимые для того, чтобы естественный отбор действовал так, как это было задумано Дарвином : наследственность, изменчивость типов и конкуренция за ограниченные ресурсы. Пригодность репликатора РНК (скорость его увеличения на душу населения), вероятно, была бы функцией внутренних адаптивных способностей (в том смысле, что они определялись нуклеотидной последовательностью) и наличия ресурсов. [7] [8] Тремя основными адаптивными способностями могли быть (1) способность воспроизводиться с умеренной точностью (приводящая как к наследственности, так и к изменчивости типа); (2) способность избегать распада; и (3) способность приобретать и перерабатывать ресурсы. [7] [8] Эти способности изначально определялись складчатыми конфигурациями репликаторов РНК (см. « Рибозим »), которые, в свою очередь, кодировались в их индивидуальных нуклеотидных последовательностях. Конкурентный успех среди различных репликаторов РНК зависел бы от относительных значений этих адаптивных способностей. Впоследствии среди более поздних организмов конкурентный успех на последовательных уровнях биологической организации, по-видимому, продолжал зависеть, в широком смысле, от относительных значений этих адаптивных способностей.
Основы [ править ]
Эмпирически видно, что большая часть (сложных) биологических систем, которые мы наблюдаем в природе, имеют иерархическую структуру. Теоретически мы могли бы ожидать, что сложные системы будут иерархическими в мире, в котором сложность должна развиваться из простоты. Анализ системных иерархий, проведенный в 1950-х годах, [9] [10] заложил эмпирические основы области , которой с 1980-х годов стала иерархическая экология . [11] [12] [13] [14] [15]
Теоретические основы обобщены термодинамикой. Когда биологические системы моделируются как физические системы , в самой общей абстракции они представляют собой термодинамические открытые системы , демонстрирующие самоорганизованное поведение. [16] а отношения множество/подмножество между диссипативными структурами могут быть охарактеризованы в иерархии.
Более простой и прямой способ объяснения основ «иерархической организации жизни» был введен в «Экологии» и Одумом другими как « иерархический принцип Саймона »; [17] Саймон [18] подчеркивал, что иерархия « возникает почти неизбежно в результате широкого разнообразия эволюционных процессов по той простой причине, что иерархические структуры стабильны ».
Чтобы мотивировать эту глубокую идею, он предложил свою «притчу» о воображаемых часовщиках.
Притча о часовщиках Жили-были два часовщика по имени Хора и Темпус, которые делали очень хорошие часы. В их мастерских часто звонили телефоны; им постоянно звонили новые клиенты. Однако Хора процветала, а Темпус становился все беднее и беднее. В конце концов Темпус потерял свой магазин. Какова была причина этого?
Часы состояли примерно из 1000 деталей каждая. Часы, которые производил Темпус, были устроены так, что, когда ему приходилось откладывать частично собранные часы (например, чтобы ответить на телефонный звонок), они тут же разваливались на части, и их приходилось собирать заново из основных элементов.
Хора сконструировал свои часы таким образом, чтобы он мог собирать узлы, состоящие примерно из десяти компонентов каждый. Десять таких узлов можно соединить в более крупный узел. Наконец, десять более крупных узлов составляли целые часы. Каждый узел можно было сложить, не развалившись.
См. также [ править ]
- Абиогенез
- Клеточная теория
- Клеточная дифференциация
- Состав человеческого тела
- Эволюция биологической сложности
- Эволюционная биология
- Гипотеза Геи
- Теория иерархии
- Холон (философия)
- Экология человека
- Уровень анализа
- Живые системы
- Самоорганизация
- Спонтанный заказ
- Структурализм (биология)
- Хронология эволюционной истории жизни
Примечания [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б Соломон, Берг и Мартин 2002 , стр. 9–10.
- ^ Паве 2006 , с. 40
- ^ Хаггетт 1999
- ^ Паве 2006 , с. 39
- ^ Постлтуэйт и Хопсон 2006 , стр. 7
- ^ Вицани, Г. (2014). «Биологическая самоорганизация». Международный журнал знаков и семиотических систем . 3 (2): 1–11. дои : 10.4018/IJSSS.2014070101 .
- ^ Перейти обратно: а б Бернштейн, Х; Байерли, ХК; Хопф, ФА; Мишод, РА; Вемулапалли, ГК (1983). «Дарвиновская динамика». Ежеквартальный обзор биологии . 58 (2): 185–207. дои : 10.1086/413216 . JSTOR 2828805 . S2CID 83956410 .
- ^ Перейти обратно: а б Мишод РЭ. (2000) Дарвиновская динамика: эволюционные переходы в приспособленности и индивидуальности. Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси ISBN 0691050112
- ^ Эванс 1951
- ^ Эванс 1956
- ^ Маргалеф 1975
- ^ О'Нил 1986
- ^ Викен и Уланович, 1988 г.
- ^ Пумейн 2006 г.
- ^ Джордан и Йоргенсен, 2012 г.
- ^ Покровский, Владимир (2020). Термодинамика сложных систем: принципы и приложения . Издательство IOP, Бристоль, Великобритания.
- ^ Саймон 1969 , стр. 192–229.
- ^ Сообщения Саймона на doi : 10.1207/S15327809JLS1203_4 , Polaris.gseis.ucla.edu/pagre/simon Архивировано 5 июля 2015 г. в Wayback Machine или транскрипции johncarlosbaez/2011/08/29. Архивировано 31 мая 2015 г. в Wayback Machine.
Ссылки [ править ]
- Эванс, ФК (1951), «Экология и исследования городских территорий», Scientific Monthly (73)
- Эванс, Ф.К. (1956), «Экосистема как базовая единица экологии», Science , 123 (3208): 1127–8, Бибкод : 1956Sci...123.1127E , doi : 10.1126/science.123.3208.1127 , PMID 17793430
- Хаггетт, Р.Дж. (1999). «Экосфера, биосфера или Гея? Как назвать глобальную экосистему. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ». Глобальная экология и биогеография . 8 (6): 425–431. дои : 10.1046/j.1365-2699.1999.00158.x . ISSN 1466-822X .
- Джордан, Ф.; Йоргенсен, SE (2012), Модели экологической иерархии: от молекул к экосфере , ISBN 9780444593962
- Маргалеф, Р. (1975), «Внешние факторы и стабильность экосистемы», Swiss Journal of Hydrology , 37 (1): 102–117, Bibcode : 1975AqSci..37..102M , doi : 10.1007/BF02505181 , hdl : 10261/ 337692 , S2CID 20521602
- О'Нил, Р.В. (1986), Иерархическая концепция экосистем , ISBN 0691084378
- Паве, Ален (2006), «Иерархическая организация биологических и экологических систем», в Пумене, Д. (редактор), Иерархия в естественных и социальных науках , Нью-Йорк, Нью-Йорк : Springer-Verlag , ISBN 978-1-4020-4126-6
- Постлтуэйт, Джон Х.; Хопсон, Джанет Л. (2006), Современная биология , Холт, Райнхарт и Уинстон , ISBN 0-03-065178-6
- Пумейн, Д. (2006), Иерархия в естественных и социальных науках , ISBN 978-1-4020-4127-3
- Саймон, Х.А. (1969), «Архитектура сложности», Науки об искусственном , Кембридж , Массачусетс: MIT Press
- Соломон, Эльдра П.; Берг, Линда Р.; Мартин, Диана В. (2002), Биология (6-е изд.), Брукс / Коул , ISBN 0-534-39175-3 , LCCN 2001095366
- Викен, Дж. С.; Уланович, Р.Э. (1988), «О количественной оценке иерархических связей в экологии», Журнал социальных и биологических систем , 11 (3): 369–377, doi : 10.1016/0140-1750(88)90066-8
Внешние ссылки [ править ]
Клеточная физиология (в физиологии человека ) в Wikibooks - Характеристики жизни и природа молекул (по общей биологии ) в Wikibooks
- организация в биосфере (по экологии ) в Wikibooks
- Теоретико-математическая дискуссия 2011 года .
Элементы природы |
|---|
