Біологічна система

Визначення і загальна характеристика

БІО­ЛОГІ́ЧНА СИСТЕ́МА — живий обʼєкт чи система обʼєктів різноманітної складності (клітина, тканина, орган, система органів, організм, біо­ценоз, екосистема, біо­сфера), що мають у своєму складі максимальне з ві­домих число рівнів структурно-функціональної організації, кожен з яких є сукупністю взаємозалежних елементів. Б. с. притаман­на особливо виразна цілісність, що не зводиться до суми властивостей її складових елементів, динамічний характер стійкості, здатність адаптації до зовнішнього середовища, саморегуляції, самовід­творе­н­ня, самороз­витку й про­гресивного філогенетичного роз­витку.

Для систем взагалі й для Б. с. зокрема можна виділити 2 комплекси властивостей, один із яких характеризує ступінь інтегрованості елементів, що утворюють конкретний структурно-функціональний рівень, а другий — тип взаємодії між ними. Для Б. с. в ієрархії під­систем, які її утворюють, слід за­значити чергува­н­ня статистичних і структурних систем (під­систем). Статистичні системи слабо інтегровані, складаються з функціонально однотипних елементів, що мають невеликі випадкові від­мін­ності. Для систем цього типу характерним є таке:

• їхні елементи не повʼязані між собою без­посередньо, а взаємодіють за допомогою спільного середовища;
• елементи взаємодіють випадковим чином;
• немає елементів, що спеціалізуються на запамʼятовуван­ні впливів зовнішніх і внутрішніх чин­ників (запамʼятовують усі елементи);
• якісно майже не від­різняються від простої суми складових елементів;
• поведінка системи ви­значається ймовірнісними законами;
• висока стійкість до стресорів зумовлена дублюва­н­ням і взаємозамін­ністю елементів;
• значним є зниже­н­ня швидкодії системи в цілому порівняно зі швидкістю реакції окремих елементів.

Структурні системи складаються з функціональних різноманітних елементів, повʼязаних один з одним сут­тєвими звʼязками, і мають завдяки цьому чітку функціональну структуру й високий ступінь інтегрованості. Поза тим, у межах структурної системи формується спеціалізована керівна під­система і спеціальний при­стрій для запамʼятовува­н­ня. Структурна система якісно від­різняється від суми її складових елементів, поведінка її ви­значається динамічними закономірностями взаємодії цих елементів. Стійкість до зовнішніх впливів забезпечується механізмами саморегуляції, в основі яких лежить система негативного або позитивного зворотного звʼязку. Загалом для структурної системи характерне зниже­н­ня стійкості до дії зовнішніх стресорів, але надійність під­вищується внаслідок здатності такої системи регулювати склад зовнішнього середовища або уникати не­сприятливих впливів. Швидкість реакції структурної системи ви­значається швидкодією її елементів. Прикладами структурних систем є клітина, багатоклітин­ний організм, популяція з соціальною структурою, угрупова­н­ня, біо­сфера.

Ієрархія систем, зокрема біо­систем, побудована таким чином, що статистичні системи складаються з множини однотипних структурних систем попереднього рівня, а власне статистичні системи є під­системами структурних систем на­ступного рівня. Напр., тканина (статист. система) складається з множини клітин (структурних систем), одночасно є під­системою органа (структурної системи). Пере­хід від одного структурно-функціонального рівня ієрархії до на­ступного рівня здійснюється через етап утворе­н­ня статистичного рівня шляхом диференціації спочатку його однотипних елементів, їхньої спеціалізації та інтеграції у складі структурних систем на­ступного структурного рівня ієрархії. Рівень роз­витку Б. с. ви­значається кількістю пар структурних статистичних систем, що чергуються, й числом від­повід­них рівнів керува­н­ня, збереже­н­ня та пере­робки інформації.

Для Б. с. характерний високий рівень динамічності, мінливості в просторі й часі — у ній на різних рівнях інтеграції по­стійно від­бувається багато процесів, що сут­тєво роз­різняються за часовими характеристиками. У той же час Б. с. — від­крита, від­носно стабільна система, умовою існува­н­ня якої є по­стій. обмін енергією, речовиною й інформацією між її частинами і з довкі­л­лям. Найважливіша особливість Б. с., що від­різняє її від неживих систем, полягає в тому, що такий обмін (особливо інформаційний) здійснюється під контролем спец. механізмів, що дають змогу забезпечити їй тимчасову й просторову стійкість (надійність). Стійкість стаціонар. станів Б. с. (зберіга­н­ня від­носної — динамічної — сталості внутр. характеристик на тлі не­стабільності зовн. середовища), а також спроможність її під впливом зовн. і внутр. чин­ників до пере­ходу з одного стану в інший (властивість не­стійкості стаціонарних станів Б. с.) забезпечуються різноманітними багаторівневими системами саморегуляції, що використовують сигнальні механізми взаємодії.

В основі механізму саморегуляції Б. с. лежить система негатив. або позитив. зворотного звʼязку. Так, у ланцюзі регулюва­н­ня з негатив. зворотним звʼязком інформація про від­хиле­н­ня регульованого параметру від за­даного рівня вводить у дію регулятор, що впливає на регульований обʼєкт таким чином, що регульований параметр повертається до вихідного рівня. Цей механізм, а також складніші комбінації кількох механізмів можуть функціонувати на різних рівнях організації Б. с. Спеціальні механізми позитив. зворотного звʼязку лежать в основі пере­ходу Б. с. з одного стаціонар.стану в інший і заснованих на цих пере­ходах закономірних змін Б. с., що забезпечують її адаптацію до змін­них зовнішніх умов, пере­міще­н­ня в просторі, інші різноманітні онтогенетичні функції Б. с. (морфо- і функціогенез) та її філогенетичні пере­творе­н­ня. Складні автономні (незалежні від середовища) рухи Б. с. можливі завдяки множин­ності стаціонарних станів Б. с., між якими можуть від­буватися пере­ходи. В деяких випадках новий стан виявляється не стаціонарним, а автоколивним, тобто таким, у якому значе­н­ня показників коливаються в часі з по­стійною амплітудою. Такі явища лежать в основі періодич. процесів у Б. с., часовій організації Б. с., в основі функціонува­н­ня біол. годин­ника тощо.

Однією з особливостей Б. с. є спосіб реагува­н­ня на біо­тичні й абіо­тичні чин­ники, у процесі якого вона може змінити свою початкову стійкість. На реакцію Б. с. впливає її поточний стан і якісні та кількісні характеристики стресора. Реакції Б. с. від­носно доцільні й цілеспрямовані, тобто протікають із певним «роз­рахунком» на майбутні впливи. Оскільки реакція біол. обʼєкта детермінована зовн. і внутр. умовами, а майбутні умови можна перед­бачати лише з певною ймовірністю, то, з одного боку, Б. с. під час взаємодії з зовн. надпороговими рівнями чин­ників реагує на них не цілеспрямовано, а від­повід­но до норми реагува­н­ня, що ви­значається властивостями її систем регуляції (гомео­стазу), але, з ін. боку, за від­сутності реальної (обʼєктивованої) доцільності в реагуван­ні Б. с. вона існує потенційно й здатна реалізуватися (обʼєктивуватися) за від­повід­них умов. Інакше кажучи, в результаті взаємодії зі стресором Б. с. може пере­йти в такий стан, що буде здатен у майбутньому забезпечити їй під­вищену (або знижену) чутливість до нових доз того самого або ін. стресора. Таким чином, у системі існують умови для забезпече­н­ня в майбутньому будь-якого типу від­повіді, зокрема адаптивного.

Для аналізу поведінки і властивостей Б. с. широко за­стосовують різноманітні методи аналогового й статист. моделюва­н­ня, використовують кібернет. і термодинам. під­ходи. Систем. під­хід виявляється пер­спективним для виріше­н­ня багатьох практично важливих про­блем, зокрема: створе­н­ня за­мкнутих систем жит­тєзабезпече­н­ня, роз­робле­н­ня засобів лікува­н­ня захворювань, повʼязаних із поруше­н­ням гомео­стазу, про­гнозува­н­ня поведінки Б. с. в екс­тремал. умовах тощо. Системний під­хід до Б. с. приводить до ро­зумі­н­ня того, що біо­логія має справу не з одним, а цілою низкою обʼєктів і рівнів організації, кожен із яких за­ймає не менш важливе місце в орган. природі, ніж ціліс. організм. Життя організоване системно, й це створює основу для його ро­зумі­н­ня, керува­н­ня ним і конструюва­н­ня Б. с. з новими властивостями, свідче­н­ням чого є успіхи біол. інженерії.

Літ.: Берталанфи Л. Общая теория систем — обзор про­блем и результатов // Системные ис­следования / Пер. с англ. Москва, 1969; Кремянский В. И. Структурные уровни живой материи. Москва, 1969; Колебательные процес­сы в биологических и химических системах. Т. 2. Пущино-на-Оке, 1971; Математические модели биологических систем. Москва, 1971; Сетров М. И. Организация биосистем. Ленин­град, 1971; Уотермен Т. Теория систем и биология / Пер. с англ. Москва, 1971; Диалектико-материалистический анализ основных методов ис­следования в биологии и медицине. К., 1972; Кивенко Н. В. Отражение и его роль в организации живых систем. К., 1972; Развитие концепции структурных уровней в биологии. Москва, 1972; Депенчук Н. П. Материалистическая диалектика и методы биологического ис­следования. К., 1973; Алещенко Г. М., Букварева Е. Н. Некоторые во­просы моделирования разнообразия в биологических системах различных типов // Успехи современ­ной биологии. 1991. Т. 111, вып. 6.

О. М. Міхеєв

Завантажити статтю