stringtranslate.com

Биологическая организация

Популяция пчел мерцает в ответ на появление хищника.

Биологическая организация — это организация сложных биологических структур и систем , определяющих жизнь с использованием редукционистского подхода. [1] Традиционная иерархия, подробно описанная ниже, простирается от атомов до биосфер . Более высокие уровни этой схемы часто называют концепцией экологической организации или полем , иерархической экологией.

Каждый уровень в иерархии представляет собой увеличение организационной сложности, при этом каждый «объект» в первую очередь состоит из базовой единицы предыдущего уровня. [2] Основной принцип, лежащий в основе организации, — это концепция возникновения : свойства и функции, обнаруженные на иерархическом уровне, отсутствуют и не имеют значения на более низких уровнях.

Биологическая организация жизни является фундаментальной предпосылкой для многочисленных областей научных исследований , особенно в медицинских науках . Без этой необходимой степени организации было бы гораздо сложнее — и, вероятно, невозможно — применять изучение эффектов различных физических и химических явлений к болезням и физиологии (функции организма). Например, такие области, как когнитивная и поведенческая нейронаука, 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 изменение на клеточном уровне может повлиять на весь организм. Эти приложения распространяются и на экологические уровни. Например, прямое инсектицидное действие ДДТ происходит на субклеточном уровне, но влияет на более высокие уровни вплоть до нескольких экосистем . Теоретически, изменение в одном атоме может изменить всю биосферу .

Уровни

Простейшей единицей в этой иерархии является атом, например кислород. Два или более атомов составляют молекулу, например диоксид. Множество небольших молекул могут объединяться в химической реакции, образуя макромолекулу, например фосфолипид. Несколько макромолекул образуют клетку, например, клубневую клетку. Группа клеток, функционирующих вместе как ткань, например, эпителиальная ткань. Различные ткани составляют орган, например, легкое. Органы работают вместе, образуя систему органов, например, дыхательную систему. Все системы органов составляют живой организм, например, льва. Группа одного и того же организма, живущая вместе в определенной области, является популяцией, например, прайд львов. Две или более популяций, взаимодействующих друг с другом, образуют сообщество, например, популяции львов и зебр, взаимодействующие друг с другом. Сообщества, взаимодействующие не только друг с другом, но и с физической средой, охватывают экосистему, например, экосистему саванны. Все экосистемы составляют биосферу, область жизни на Земле.

Простая стандартная схема биологической организации, от низшего уровня до высшего, выглядит следующим образом: [1]

Более сложные схемы включают в себя гораздо больше уровней. Например, молекулу можно рассматривать как группу элементов , а атом можно далее разделить на субатомные частицы (эти уровни находятся за пределами биологической организации). Каждый уровень также можно разбить на собственную иерархию, и определенные типы этих биологических объектов могут иметь свою собственную иерархическую схему. Например, геномы можно далее подразделить на иерархию генов . [4]

Каждый уровень в иерархии может быть описан его более низкими уровнями. Например, организм может быть описан на любом из его компонентных уровней, включая атомный, молекулярный, клеточный, гистологический (ткань), уровень органов и систем 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 называются 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

Считается, что биологическая организация возникла в раннем мире РНК , когда цепи РНК начали выражать основные условия, необходимые для работы естественного отбора, как задумал Дарвин : наследуемость, изменчивость типа и конкуренция за ограниченные ресурсы. Приспособленность репликатора РНК (его скорость увеличения на душу населения), вероятно, была функцией адаптивных способностей, которые были внутренними (в том смысле, что они определялись последовательностью нуклеотидов) и доступностью ресурсов. [7] [8] Тремя основными адаптивными способностями могли быть (1) способность реплицироваться с умеренной точностью (что приводит как к наследуемости, так и к изменчивости типа); (2) способность избегать распада; и (3) способность приобретать и обрабатывать ресурсы. [7] [8] Эти способности изначально определялись складчатыми конфигурациями репликаторов РНК (см. « Рибозим »), которые, в свою очередь, кодировались в их индивидуальных последовательностях нуклеотидов. Конкурентный успех среди различных репликаторов РНК зависел бы от относительных значений этих адаптивных возможностей. Впоследствии, среди более поздних организмов конкурентный успех на последовательных уровнях биологической организации, предположительно, продолжал зависеть, в широком смысле, от относительных значений этих адаптивных возможностей.

Основы

Эмпирически, большая часть (сложных) биологических систем, которые мы наблюдаем в природе, демонстрирует иерархическую структуру. Теоретически мы могли бы ожидать, что сложные системы будут иерархиями в мире, в котором сложность должна была развиться из простоты. Анализ системных иерархий, выполненный в 1950-х годах, [9] [10] заложил эмпирические основы для области , которая с 1980-х годов стала иерархической экологией . [11] [12] [13] [14] [15]

Теоретические основы суммируются термодинамикой. Когда биологические системы моделируются как физические системы , в самой общей абстракции, они являются термодинамическими открытыми системами , которые демонстрируют самоорганизованное поведение, [16] и отношения множества/подмножества между диссипативными структурами могут быть охарактеризованы в иерархии.

Более простой и прямой способ объяснения основ «иерархической организации жизни» был представлен в «Экологии» Одумом и другими как « иерархический принцип Саймона »; [17] Саймон [18] подчеркивал, что иерархия « возникает почти неизбежно в результате самых разных эволюционных процессов по той простой причине, что иерархические структуры стабильны ».

Чтобы мотивировать эту глубокую идею, он предложил свою «притчу» о воображаемых часовщиках.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ab Соломон, Берг и Мартин 2002, стр. 9–10
  2. ^ Паве 2006, стр. 40
  3. ^ Хаггетт 1999
  4. ^ Паве 2006, стр. 39
  5. ^ Постлтуэйт и Хопсон 2006, стр. 7
  6. ^ Витзани, Г (2014). «Биологическая самоорганизация». Международный журнал знаков и семиотических систем . 3 (2): 1–11. doi :10.4018/IJSSS.2014070101.
  7. ^ ab Бернстайн, Х.; Байерли, Х.К.; Хопф, ФА; Мишо, Р.А.; Вемулапалли, Г.К. (1983). «Дарвиновская динамика». Quarterly Review of Biology . 58 (2): 185–207. doi :10.1086/413216. JSTOR  2828805. S2CID  83956410.
  8. ^ ab Michod RE. (2000) Дарвиновская динамика: эволюционные переходы в приспособленности и индивидуальности. Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси ISBN 0691050112 
  9. ^ Эванс 1951
  10. ^ Эванс 1956
  11. ^ Маргалеф 1975
  12. ^ О'Нил 1986
  13. ^ Викен и Уланович 1988
  14. ^ Пумейн 2006
  15. ^ Джордан и Йоргенсен 2012
  16. ^ Покровский, Владимир (2020). Термодинамика сложных систем: принципы и приложения . IOP Publishing, Бристоль, Великобритания.
  17. ↑ Саймон 1969, стр. 192–229.
  18. ^ Тексты Саймона в doi :10.1207/S15327809JLS1203_4, polaris.gseis.ucla.edu/pagre/simon Архивировано 5 июля 2015 г. на Wayback Machine или транскрипции johncarlosbaez/2011/08/29 Архивировано 31 мая 2015 г. на Wayback Machine

Ссылки

Внешние ссылки