Биологическая организация

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 .

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]

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.

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.

Притча о часовщиках

Когда-то жили два часовщика, Хора и Темпус, которые делали очень хорошие часы. Телефоны в их мастерских часто звонили; им постоянно звонили новые клиенты. Однако Хора процветал, а Темпус становился все беднее и беднее. В конце концов, Темпус потерял свой магазин. В чем была причина этого? Часы состояли примерно из 1000 деталей каждая. Часы, которые делал Темпус, были сконструированы таким образом, что когда ему приходилось откладывать частично собранные часы (например, чтобы ответить на телефонный звонок), они тут же распадались на части и их приходилось собирать заново из основных элементов. Хора спроектировал свои часы так, чтобы он мог собрать подузлы примерно из десяти компонентов каждый. Десять из этих подузлов можно было собрать вместе, чтобы сделать более крупный подузел. Наконец, десять более крупных подузлов составляли целые часы. Каждый подузел можно было убрать, не разваливаясь.

• Эванс, ФК (1951), «Экология и исследования городских территорий», Scientific Monthly (73)
• Эванс, ФК (1956), «Экосистема как базовая единица экологии», Science , 123 (3208): 1127–8, Bibcode : 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. doi :10.1046/j.1365-2699.1999.00158.x. ISSN  1466-822X.
• Джордан, Ф.; Йоргенсен, С.Е. (2012), Модели экологической иерархии: от молекул до экосферы , ISBN 9780444593962
• Маргалеф, Р. (1975), «Внешние факторы и стабильность экосистемы», Schweizerische Zeitschrift für Hydrologie , 37 (1): 102–117, Бибкод : 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 книге Пумэйн, Д. (ред.), Иерархия в естественных и социальных науках , Нью-Йорк, Нью-Йорк : Springer-Verlag , ISBN 978-1-4020-4126-6
• Постлетвейт, 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, HA (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

• Физиология клетки (в разделе «Физиология человека ») на Wikibooks
• Характеристики жизни и природа молекул (в разделе «Общая биология ») на Wikibooks
• организация в биосфере (в разделе Экология ) в Wikibooks
• Теоретико-математическое обсуждение 2011 года.