Живые системы
Множественные взаимодействия и регуляция форм жизни с окружающей средой
Презентация на тему «Поток информации в живых системах»

Живые системы — это формы жизни (или, более разговорно, живые существа ), рассматриваемые как система . Говорят, что они являются открытыми самоорганизующимися и взаимодействуют с окружающей средой. Эти системы поддерживаются потоками информации , энергии и материи . Было предложено несколько теорий живых систем. Такие теории пытаются сопоставить общие принципы того, как работают все живые системы.

Контекст

Некоторые ученые в последние несколько десятилетий предлагали, что для объяснения природы жизни требуется общая теория живых систем. [1] Такая общая теория возникла бы из экологических и биологических наук и попыталась бы сопоставить общие принципы того, как работают все живые системы. Вместо того, чтобы изучать явления, пытаясь разбить их на компоненты, общая теория живых систем исследует явления с точки зрения динамических моделей взаимоотношений организмов с окружающей средой. [2]

Теории

Открытые системы Миллера

Теория живых систем Джеймса Грира Миллера — это общая теория о существовании всех живых систем, их структуре , взаимодействии , поведении и развитии , призванная формализовать концепцию жизни. Согласно книге Миллера 1978 года « Живые системы» , 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 множественные уровни живых систем (клетки, органы, организмы, группы, организации, общества, наднациональные системы) являются открытыми системами, состоящими из критических и взаимозависимых подсистем, которые обрабатывают входы, выходы 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 интегративной» теорией социальных систем, [10] четко различая обработку материи и энергии и обработку информации, показывая, как социальные системы связаны с биологическими системами. LST анализирует нерегулярности или «организационные патологии» функционирования систем (например, системный стресс и деформация, нерегулярности обратной связи, перегрузка входной информации). Она объясняет роль энтропии в социальных исследованиях, приравнивая негэнтропию к информации и порядку. Она подчеркивает как структуру, так и процесс, а также их взаимосвязи. [11]

Гипотеза Лавлока о Гее

Идея о том, что Земля живая, встречается в философии и религии, но первое научное обсуждение этого вопроса было проведено шотландским геологом Джеймсом Хаттоном . В 1785 году он заявил, что Земля является сверхорганизмом и что ее надлежащим изучением должна быть 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 его выживания. [13] [14]

Свойство экосистем Моровица

Системный взгляд на жизнь рассматривает потоки окружающей среды и биологические потоки вместе как «взаимность влияния» [15] , и взаимная связь с окружающей средой, возможно, так же важна для понимания жизни, как и для понимания экосистем. Как объясняет Гарольд Дж. Моровиц (1992), жизнь является свойством экологической системы, а не отдельного организма или вида. [16] Он утверждает, что экосистемное определение жизни предпочтительнее строго биохимического или физического. Роберт Уланович (2009) выделяет мутуализм как ключ к пониманию системного, упорядочивающе-генерирующего поведения жизни и экосистем. [17]

Сложные системные биологии Розена

Роберт Розен посвятил большую часть своей карьеры, начиная с 1958 года [18] , разработке всеобъемлющей теории жизни как самоорганизующейся сложной системы, «закрытой для эффективной причинности». Он определил компонент системы как «единицу организации; часть с функцией, т. е. определенное отношение между частью и целым». Он определил «недробимость компонентов в организме» как фундаментальное различие между живыми системами и «биологическими машинами». Он обобщил свои взгляды в своей книге « Сама жизнь » . [19]

Биология сложных систем — это область науки, которая изучает возникновение сложности в функциональных организмах с точки зрения теории динамических систем . [20] Последняя также часто называется системной биологией и направлена ​​на понимание самых фундаментальных аспектов жизни. Тесно связанный подход, реляционная биология, в основном занимается пониманием жизненных процессов с точки зрения наиболее важных отношений и категорий таких отношений среди основных функциональных компонентов организмов; для многоклеточных организмов это было определено как «категориальная биология» или модельное представление организмов как категориальная теория биологических отношений, а также алгебраическая топология функциональной организации живых организмов с точки зрения их динамических, сложных сетей метаболических, генетических и эпигенетических процессов и сигнальных путей . [21] [22] Связанные подходы фокусируются на взаимозависимости ограничений, где ограничения могут быть как молекулярными, такими как ферменты, так и макроскопическими, такими как геометрия кости или сосудистой системы. [23]

Дарвиновская динамика Бернстайна, Байерли и Хопфа

Харрис Бернстайн и его коллеги утверждали в 1983 году, что эволюция порядка в живых системах и некоторых физических системах подчиняется общему фундаментальному принципу, называемому дарвиновской динамикой. Это было сформулировано путем рассмотрения того, как макроскопический порядок генерируется в простой небиологической системе, далекой от термодинамического равновесия, а затем расширения рассмотрения до коротких, реплицирующихся молекул РНК . Было сделано заключение, что лежащий в основе процесс генерации порядка в основном одинаков для обоих типов систем. [24] [25]

Теория операторов Жерара Ягерса

Операторная теория Джерарда Ягерса предполагает, что жизнь — это общий термин для обозначения наличия типичных замыканий, обнаруженных в организмах; типичными замыканиями являются мембрана и автокаталитический набор в клетке [26] , а организм — это любая система с организацией, которая соответствует типу оператора, который по крайней мере столь же сложен, как и клетка. [27] [28] [29] [30] Жизнь можно смоделировать как сеть низших отрицательных обратных связей регуляторных механизмов, подчиненных высшей положительной обратной связи, сформированной потенциалом расширения и воспроизводства. [31]

Многоагентная система Кауфмана

Стюарт Кауффман определяет живую систему как автономного агента или многоагентную систему, способную воспроизводить себя и завершать по крайней мере один термодинамический рабочий цикл . [32] Это определение расширяется за счет эволюции новых функций с течением времени. [33]

Четыре столпа Будиса, Кубышкина и Шмидта

Определение клеточной жизни по Будисе , Кубышкину и Шмидту

Будиса , Кубышкин и Шмидт определили клеточную жизнь как организационную единицу, покоящуюся на четырех столпах/краеугольных камнях: (i) энергия , (ii) метаболизм , (iii) информация и (iv) форма . Эта система способна регулировать и контролировать метаболизм и энергоснабжение и содержит по крайней мере одну подсистему, которая функционирует как носитель информации ( генетическая информация ). Клетки как самоподдерживающиеся единицы являются частями различных популяций , которые участвуют в однонаправленном и необратимом открытом процессе, известном как эволюция . [34]

Смотрите также

  • Искусственная жизнь  – Область исследования
  • Теория автономного агентства  – жизнеспособная системная теорияСтраницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
  • Автопоэзис  – системная концепция, которая подразумевает автоматическое воспроизводство и поддержание.
  • Биологическая организация  – Иерархия сложных структур и систем в биологических наукахСтраницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
  • Биологические системы  – сложная сеть, которая соединяет несколько биологически значимых объектов.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
  • Сложные системы  – система, состоящая из множества взаимодействующих компонентов.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
  • Наука о земной системе  – научное изучение сфер Земли и их природных комплексных систем.
  • Внеземная жизнь  – Жизнь не на Земле
  • Информационный метаболизм  – Психологическая теория взаимодействия биологических организмов с окружающей средой
  • Организм  – Индивидуальная живая форма жизни
  • Spome  – Гипотетическая система жизнеобеспечения, закрытая по материи и открытая по энергии
  • Системная биология  – вычислительное и математическое моделирование сложных биологических систем
  • Теория систем  – Междисциплинарное изучение систем
  • Теория жизнеспособных систем  – рассматривает кибернетические процессы в связи с развитием/эволюцией динамических систем.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва

Ссылки

  1. ^ Clealand, Carol E.; Chyba, Christopher F. (8 октября 2007 г.). «Имеет ли „жизнь“ определение?». В Woodruff, T. Sullivan; Baross, John (ред.). Planets and Life: The Emerging Science of Astrobiology . Cambridge University Press. При отсутствии такой теории мы находимся в положении, аналогичном положению исследователя 16-го века, пытавшегося определить „воду“ при отсутствии 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.
  2. ^ Браун, Молли Янг (2002). "Модели, потоки и взаимосвязь". Архивировано из оригинала 8 января 2009 года . Получено 27 июня 2009 года .
  3. ^ Миллер, Джеймс Грир (1978). Живые системы . Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 978-0070420151.
  4. ^ Seppänen, Jouko (1998). «Системная идеология в гуманитарных и социальных науках». В Altmann, G.; Koch, WA (ред.). Системы: Новые парадигмы для гуманитарных наук . Берлин: Walter de Gruyter. стр. 180–302.
  5. ^ Ярош, Дьёрдь (2000). «Теория живых систем Джеймса Грайера Миллера и телеоника». Системные исследования и поведенческая наука . 17 (3). Wiley: 289–300. doi :10.1002/(sici)1099-1743(200005/06)17:3<289::aid-sres333>3.0.co;2-z. ISSN  1092-7026.
  6. ^ (Миллер, 1978, стр. 1025)
  7. ^ Parent, Elaine (1996). "The Living Systems Theory of James Grier Miller". Проект Primer . Получено 20 сентября 2023 г.
  8. ^ "Земля как система". Primer project ISSS . Получено 20 сентября 2023 г.
  9. ^ Сеппянен 1998, стр. 197–198.
  10. ^ Кеннет Д. Бейли 2006, стр. 292–296.
  11. ^ Кеннет Д. Бейли, 1994, стр. 209–210.
  12. ^ Лавлок, Джеймс (1979). Гея: Новый взгляд на жизнь на Земле. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-286030-9.
  13. ^ Лавлок, Дж. Э. (1965). «Физическая основа для экспериментов по обнаружению жизни». Nature . 207 (7): 568–570. Bibcode :1965Natur.207..568L. doi :10.1038/207568a0. PMID  5883628. S2CID  33821197.
  14. ^ Лавлок, Джеймс . "Геофизиология". Статьи Джеймса Лавлока . Архивировано из оригинала 6 мая 2007 года . Получено 1 октября 2009 года .
  15. ^ Фискус, Дэниел А. (апрель 2002 г.). «Гипотеза экосистемной жизни». Бюллетень Экологического общества Америки. Архивировано из оригинала 6 августа 2009 г. Получено 28 августа 2009 г.
  16. ^ Моровиц, Гарольд Дж. (1992). Начало клеточной жизни: метаболизм повторяет биогенез. Издательство Йельского университета. ISBN 978-0-300-05483-5.
  17. ^ Уланович, Роберт В.; Уланович, Роберт Э. (2009). Третье окно: естественная жизнь после Ньютона и Дарвина. Templeton Foundation Press. ISBN 978-1-59947-154-9.
  18. ^ Розен, Роберт (1958). «Реляционная теория биологических систем». Бюллетень математической биофизики . 20 (3): 245–260. doi :10.1007/bf02478302.
  19. ^ Роберт, Розен (1991). Жизнь сама по себе: всестороннее исследование природы, происхождения и создания жизни . Нью-Йорк: Columbia University Press. ISBN 978-0-231-07565-7.
  20. ^ Baianu, IC (2006). «Работа Роберта Розена и биология сложных систем». Axiomathes . 16 (1–2): 25–34. doi :10.1007/s10516-005-4204-z. S2CID  4673166.
  21. ^ * Розен, Роберт (1958a). «Реляционная теория биологических систем». Бюллетень математической биофизики . 20 (3): 245–260. doi :10.1007/bf02478302.
  22. ^ * Розен, Р. (1958б). «Представление биологических систем с точки зрения теории категорий». Бюллетень математической биофизики . 20 (4): 317–341. doi :10.1007/bf02477890.
  23. ^ Монтевиль, Маэль; Моссио, Маттео (7 мая 2015 г.). «Биологическая организация как замыкание ограничений». Журнал теоретической биологии . 372 : 179–191. Bibcode : 2015JThBi.372..179M. CiteSeerX 10.1.1.701.3373 . doi : 10.1016/j.jtbi.2015.02.029. PMID  25752259. S2CID  4654439. Архивировано из оригинала 17 ноября 2017 г. 
  24. ^ Бернстайн, Харрис; Байерли, Генри К.; Хопф, Фредерик А.; Мишо, Ричард А.; Вемулапалли, Г. Кришна (июнь 1983 г.). «Дарвиновская динамика». The Quarterly Review of Biology . 58 (2): 185. doi :10.1086/413216. JSTOR  2828805. S2CID  83956410.
  25. ^ Michod, Richard E. (2000). Дарвиновская динамика: эволюционные переходы в приспособленности и индивидуальности . Принстон: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-05011-9.
  26. ^ Ягерс, Джерард (2012). В погоне за сложностью: польза биоразнообразия с эволюционной точки зрения . Издательство KNNV. С. 27–29, 87–88, 94–96. ISBN 978-90-5011-443-1.
  27. ^ Jagers Op Akkerhuis, Джерард AJM (2010). «К иерархическому определению жизни, организма и смерти». Основы науки . 15 (3): 245–262. дои : 10.1007/s10699-010-9177-8. S2CID  195282529.
  28. ^ Jagers Op Akkerhuis, Gerard (2011). «Объяснение происхождения жизни недостаточно для определения жизни». Foundations of Science . 16 (4): 327–329. doi :10.1007/s10699-010-9209-4. S2CID  195284978.
  29. ^ Jagers Op Akkerhuis, Gerard AJM (2012). «Роль логики и понимания в поиске определения жизни». Journal of Biomolecular Structure and Dynamics . 29 (4): 619–620. doi : 10.1080/073911012010525006 . PMID  22208258. S2CID  35426048. Архивировано из оригинала 16 апреля 2021 г. Получено 16 апреля 2021 г.
  30. ^ Jagers, Gerald (2012). «Вклад иерархии операторов в область биологически управляемой математики и вычислений». В Ehresmann, Andree C.; Simeonov, Plamen L.; Smith, Leslie S. (ред.). Integral Biomathics . Springer. ISBN 978-3-642-28110-5.
  31. ^ Корженевский, Бернард (7 апреля 2001 г.). «Кибернетическая формулировка определения жизни». Журнал теоретической биологии . 209 (3): 275–286. Bibcode : 2001JThBi.209..275K. doi : 10.1006/jtbi.2001.2262. PMID  11312589.
  32. ^ Кауфманн, Стюарт (2004). «Автономные агенты». В Барроу, Джон Д.; Дэвис, PCW; Харпер, младший, CL (ред.). Наука и высшая реальность . стр. 654–666. doi :10.1017/CBO9780511814990.032. ISBN 978-0-521-83113-0.
  33. ^ Лонго, Джузеппе; Монтевиль, Маэль; Кауфман, Стюарт (1 января 2012 г.). «Никаких влекущих законов, но обеспечение в эволюции биосферы». Труды 14-й ежегодной конференции-компаньона по генетическим и эволюционным вычислениям. GECCO '12. С. 1379–1392. arXiv : 1201.2069 . Bibcode :2012arXiv1201.2069L. CiteSeerX 10.1.1.701.3838 . doi :10.1145/2330784.2330946. ISBN  978-1-4503-1178-6. S2CID  15609415. Архивировано из оригинала 11 мая 2017 года.
  34. ^ Будиса, Недилько; Кубышкин, Владимир; Шмидт, Маркус (22 апреля 2020 г.). «Ксенобиология: путешествие к параллельным формам жизни». ChemBioChem . 21 (16): 2228–2231. doi : 10.1002/cbic.202000141 . PMID  32323410.

Дальнейшее чтение

  • Кеннет Д. Бейли , (1994). Социология и новая теория систем: к теоретическому синтезу . Олбани, Нью-Йорк: SUNY Press .
  • Кеннет Д. Бейли (2006). Теория живых систем и теория социальной энтропии. Системные исследования и поведенческая наука, 22 , 291–300.
  • Джеймс Грир Миллер, (1978). Живые системы. Нью-Йорк: McGraw-Hill . ISBN 0-87081-363-3 
  • Миллер, Дж. Л. и Миллер, Дж. Г. (1992). Больше, чем сумма его частей: Подсистемы, которые обрабатывают как материю-энергию, так и информацию. Поведенческая наука, 37 , 1–38.
  • Умберто Матурана (1978), «Биология языка: эпистемология реальности», в книге Миллера, Джорджа А. и Элизабет Леннеберг (ред.), Психология и биология языка и мышления: эссе в честь Эрика Леннеберга . Academic Press: 27-63.
  • Йоуко Сеппянен, (1998). Системная идеология в гуманитарных и социальных науках. В G. Altmann & WA Koch (ред.), Системы: Новые парадигмы для гуманитарных наук (стр. 180–302). Берлин: Walter de Gruyter.
  • Джеймс Р. Симмс (1999). Принципы количественной науки о живых системах . Дордрехт: Kluwer Academic . ISBN 0-306-45979-5 
  • Теория живых систем Джеймса Грира Миллера
  • Джеймс Грир Миллер, Живые системы. Основные концепции (1978)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Living_systems&oldid=1256122940"