Живые системы — это формы жизни (или, в более просторечии, живые существа ), рассматриваемые как система . Говорят, что они открыты , самоорганизуются и взаимодействуют с окружающей средой. Эти системы поддерживаются потоками информации , энергии и материи . Было предложено множество теорий живых систем. Такие теории пытаются отобразить общие принципы работы всех живых систем.
В последние несколько десятилетий некоторые ученые предположили, что для объяснения природы жизни необходима общая теория живых систем. [1] Такая общая теория могла бы возникнуть из экологических и биологических наук и попытаться отобразить общие принципы работы всех живых систем. Вместо изучения явлений, пытаясь разложить их на компоненты, общая теория живых систем исследует явления с точки зрения динамических закономерностей взаимоотношений организмов с окружающей средой. [2]
Теория живых систем Джеймса Гриера Миллера — это общая теория о существовании всех живых систем, их структуре , взаимодействии , поведении и развитии , призванная формализовать концепцию жизни. Согласно книге Миллера « Живые системы» 1978 года , такая система должна содержать каждую из двадцати «критических подсистем», определяемых их функциями. Миллер рассматривает живые системы как тип системы . Ниже уровня живых систем он определяет пространство и время , материю и энергию , информацию и энтропию , уровни организации , а также физические и концептуальные факторы, а выше живых систем — экологические, планетарные и солнечные системы, галактики и т. д. [3] [ 4] [5] Центральный тезис Миллера заключается в том, что многочисленные уровни живых систем (клетки, органы, организмы, группы, организации, общества, наднациональные системы) представляют собой открытые системы, состоящие из критически важных и взаимозависимых подсистем, которые обрабатывают входные данные, выходные данные и выходы энергии и информации. [6] [7] [8] Сеппянен (1998) говорит, что Миллер применил общую теорию систем в широком масштабе для описания всех аспектов живых систем. [9] Бейли утверждает, что теория Миллера, возможно, является «наиболее комплексной» теорией социальных систем, [10] четко различая обработку материи-энергии и обработку информации, показывая, как социальные системы связаны с биологическими системами. LST анализирует нарушения или «организационные патологии» функционирования систем (например, системный стресс и напряжение, нарушения обратной связи, перегрузку входной информации). Он объясняет роль энтропии в социальных исследованиях, приравнивая негэнтропию к информации и порядку. Он подчеркивает как структуру, так и процесс, а также их взаимосвязи. [11]
Идея о том, что Земля жива, встречается в философии и религии, но первое научное обсуждение ее было проведено шотландским геологом Джеймсом Хаттоном . В 1785 году он заявил, что Земля является сверхорганизмом и что ее надлежащим изучением должна стать физиология . [12] : 10 Гипотеза Геи, предложенная в 1960-х годах Джеймсом Лавлоком , предполагает, что жизнь на Земле функционирует как единый организм, который определяет и поддерживает условия окружающей среды , необходимые для ее выживания. [13] [14]
Все живые существа обладают генетической информацией , которая сохраняется посредством процессов, называемых цис-действиями. [15] Цис-действие — это любое действие, которое оказывает воздействие на инициатор, и в химических системах известно как автокаталитический набор . В живых системах все цис-действия обычно оказывают положительное влияние на систему, поскольку те, которые оказывают отрицательное воздействие, устраняются естественным отбором . Генетическая информация действует как инициатор и может поддерживать себя посредством серии цис-действий, таких как самовосстановление или самопроизводство (производство частей тела, которое следует отличать от самовоспроизведения, которое представляет собой дублирование всего тела). сущность). Различные цис-действия придают сущности дополнительные черты, позволяющие считать ее живой. Самоподдерживаемая информация является основным требованием — нулевым уровнем для обретения жизни, и ее можно получить любым цис-действием, например, самовосстановлением (например, геном, кодирующим белок, который фиксирует изменение нуклеиновой кислоты, вызванное УФ- излучением). Впоследствии, если сущность способна выполнять подверженное ошибкам самовоспроизведение, она приобретает черты эволюции и принадлежит к континууму самоподдерживаемой информации - она становится частью живого мира в смысле явления , но еще не живой личностью . Для этого обновления сущность должна обработать черту отличимости, понимаемую как способность определять себя как отдельную сущность со своей судьбой. Есть два возможных пути достижения отличимости: 1) поддержание открытой системы ( клетки ) и/или 2) поддержание процесса передачи (для облигатных паразитов ). Выполнение любого из этих цис-действий поднимает сущность на уровень живого индивидуума – отдельного элемента самоподдерживающегося информационного континуума. Последний уровень рассматривает состояние сущности как мертвое или живое и требует наличия черты функциональности. [15] Этот подход обеспечивает лестничную иерархию сущностей в зависимости от их способности поддерживать себя, их способности к развитию и их различимости. Он различает жизнь как явление, живого человека и живую личность. [15]
Системный взгляд на жизнь рассматривает потоки окружающей среды и биологические потоки вместе как «взаимное влияние» [16] , а взаимные отношения с окружающей средой, возможно, так же важны для понимания жизни, как и для понимания экосистем. Как объясняет Гарольд Дж. Моровиц (1992), жизнь — это свойство экологической системы , а не отдельного организма или вида. [17] Он утверждает, что экосистемное определение жизни предпочтительнее строго биохимического или физического. Роберт Уланович (2009) выделяет мутуализм как ключ к пониманию системного, генерирующего порядок поведения жизни и экосистем. [18]
Роберт Розен посвятил большую часть своей карьеры, начиная с 1958 года [19] , разработке всеобъемлющей теории жизни как самоорганизующейся сложной системы, «закрытой для эффективной причинности». Он определил компонент системы как «единицу организации; часть с функцией, т. е. определенным отношением между частью и целым». Он определил «нефракционность компонентов в организме» как фундаментальное отличие живых систем от «биологических машин». Свои взгляды он обобщил в книге «Сама жизнь» . [20]
Биология сложных систем — это область науки, которая изучает возникновение сложности в функциональных организмах с точки зрения теории динамических систем . [21] Последнюю также часто называют системной биологией , и она направлена на понимание наиболее фундаментальных аспектов жизни. Близкий подход — реляционная биология — занимается главным образом пониманием жизненных процессов с точки зрения наиболее важных отношений и категорий таких отношений между основными функциональными компонентами организмов; для многоклеточных организмов это было определено как «категориальная биология» или модельное представление организмов как теория категорий биологических отношений, а также алгебраическая топология функциональной организации живых организмов с точки зрения их динамических, сложных сетей метаболические, генетические и эпигенетические процессы и сигнальные пути . [22] [23] Сопутствующие подходы сосредоточены на взаимозависимости ограничений, где ограничения могут быть либо молекулярными, например, ферменты, либо макроскопическими, например, геометрия кости или сосудистой системы. [24]
Харрис Бернштейн и его коллеги в 1983 году утверждали, что эволюция порядка в живых системах и некоторых физических системах подчиняется общему фундаментальному принципу, названному дарвиновской динамикой. Это было сформулировано путем сначала рассмотрения того, как макроскопический порядок создается в простой небиологической системе, далекой от термодинамического равновесия, а затем распространения рассмотрения на короткие реплицирующиеся молекулы РНК . Был сделан вывод, что основополагающий процесс генерации заказов в основном аналогичен для обоих типов систем. [25] [26]
Операторная теория Джерарда Джагерса предполагает, что жизнь — это общий термин, обозначающий наличие типичных замыканий, обнаруженных в организмах; типичными замыканиями являются мембрана и автокаталитический набор в клетке [27] , а организмом является любая система, организация которой соответствует типу оператора, который по крайней мере столь же сложен, как и клетка. [28] [29] [30] [31] Жизнь можно смоделировать как сеть низших отрицательных обратных связей регуляторных механизмов, подчиненных высшей положительной обратной связи , образованной потенциалом расширения и воспроизводства. [32]
Стюарт Кауфман определяет живую систему как автономный агент или мультиагентную систему , способную воспроизводить себя или себя и выполнять по крайней мере один термодинамический рабочий цикл . [33] Это определение расширяется за счет развития новых функций с течением времени. [34]
Будиса , Кубышкин и Шмидт определили клеточную жизнь как организационную единицу, опирающуюся на четыре столпа/краеугольных камня: (i) энергию , (ii) метаболизм , (iii) информацию и (iv) форму . Эта система способна регулировать и контролировать обмен веществ и энергообеспечение и содержит по крайней мере одну подсистему, выполняющую функцию носителя информации ( генетической информации ). Клетки как самоподдерживающиеся единицы являются частью различных популяций , которые участвуют в однонаправленном и необратимом открытом процессе, известном как эволюция . [35]
В отсутствие такой теории мы находимся в положении, аналогичном положению исследователя XVI века, пытающегося дать определение «воде» в отсутствие молекулярной теории. [...] Без доступа к живым существам, имеющим иное историческое происхождение, трудно и, возможно, в конечном итоге невозможно сформулировать адекватно общую теорию природы живых систем.