Тема: «Биологические системы: принципы функционирования»

Цели урока :

Обогатить мировоззрение учащихся междисциплинарным синергическим подходом в изучении живого; определить основные принципы самоорганизации, критерии построения саморазвивающейся среды, установить условия устойчивого развития в изменяющемся мире;
- конкретизировать естественнонаучную картину мира примером функционирования живых систем, познакомить учащихся с принципами организации живой и неживой систем;
- использование диалога как эффективного способа осуществления рефлексии

Целью анализа метаболического контроля было количественное определение влияния различных химических реакций в сети на концентрацию метаболитов в сети и на поток метаболитов через сеть, в частности, в ответ на различные возмущения. Свойства системы на самом деле больше, чем сумма свойств ее компонентов, что часто упускается из виду при усердных попытках продемонстрировать аддитивность определенной феномонены.

Системная биология как эволюционное расширение классической интегративной физиологии

Бород и Марко Венделин рассматривают термины «системная биология» и «физиология» синонимы, поскольку они утверждают. В двух словах «системная биология» пытается реализовать это обещание, измеряя и сопоставляя биологические взаимодействия в клетках, тканях, органах и органных системах и прогнозируя, как ведут себя интегрированные системы, состоящие из многих взаимодействующих компонентов. Читатели Американского журнала физиологии могут указать, что по таким определениям «системная биология» по существу является синонимом «физиологии».

Пояснительная записка

«Разум, хорошо упорядоченный, дороже разума, хорошо упакованного»
М. Монтень

Ключевые идеи:

Мы живем в мире неустойчивых процессов с нарушенной симметрией между прошлым и будущим;
- в открытой системе каждый человек рассматривается, как неповторимая индивидуальность, инициирующая и организующая свой уникальный процесс освоения мира;
- синергетический подход, опирающийся на универсальную эволюционную картину мира, способствует стиранию границ между естественнонаучным и гуманитарным знанием;

Хотя мы не будем спорить с этой оценкой, мы полагаем, что все большее внимание, уделяемое усилиям, по крайней мере частично обусловлено введением нового термина и связанными с ним новыми методами и технологиями в хорошо зарекомендовавшую себя область интегративной физиологии.

Молекулярный физиолог и биофизик Кевин Страндж. Ранее сделал сравнение. Физиология и системная биология разделяют цель понимания интегрированной функции сложных многокомпонентных биологических систем, начиная от взаимодействующих белков, которые выполняют конкретные задачи для всех организмов.

Занятие построено на принципах технологии диалогового обучения и воспитания (научности, адресности, креативности). Занятие включает разнообразные виды диалога: внешний – презентации учащихся (позволяет структурировать информацию, обеспечивает расширение, приращение знаний о системном подходе в изучении живого), внутренний - диалог со своим внутренним «я» учителя и ученика, выход на уровень осмысленного и осознанного понимания проблемы и диалог «экзистенциональной» направленности - приводит к взаимопониманию и взаимообогощению субъектов общения, развитию личностных качеств, придание обучению развивающей направленности)

Предлагаем презентацию:

Выберите наиболее подходящий из двух вариантов определения:

Базовые свойства систем, отражающие схему функционирования, сводятся к следующему:

Системы

Система – это:

• 1) целое, созданное из частей и элементов целенаправленной деятельности и обладающее новыми свойствами, отсутствующими у элементов и частей, его образующих;
• 2) объективная часть мироздания, включающая схожие и совместимые элементы, образующие особое целое, которое взаимодействует с внешней средой.

Допустимы и многие другие определения. Общим в них является то, что система есть некоторое правильное сочетание наиболее важных, существенных свойств изучаемого объекта.
Признаками системы являются множество составляющих ее элементов, единство главной цели для всех элементов, наличие связей между ними, целостность и единство элементов, наличие структуры и иерархичности, относительная самостоятельность и наличие управления этими элементами. Термин «организация» в одном из своих лексических значений означает также «систему», но не любую систему, а в определенной мере упорядоченную, организованную.
Система может включать большой перечень элементов и ее целесообразно разделить на ряд подсистем.

Подсистема – набор элементов, представляющих автономную внутри системы область (экономическая, организационная, техническая подсистемы).

Большие системы (БС) – системы, представляемые совокупностью подсистем постоянно уменьшающегося уровня сложности вплоть до элементарных подсистем, выполняющих в рамках данной большой системы базовые элементарные функции.

Система обладает рядом свойств.

Свойства системы – это качества элементов, дающие возможность количественного описания системы, выражения ее в определенных величинах.
Базовые свойства систем сводятся к следующему:

• – система стремится сохранить свою структуру (это свойство основано на объективном законе организации – законе самосохранения);
• – система имеет потребность в управлении (существует набор потребностей человека, животного, общества, стада животных и большого социума);
• – в системе формируется сложная зависимость от свойств входящих в нее элементов и подсистем (система может обладать свойствами, не присущими ее элементам, и может не иметь свойств своих элементов). Например, при коллективной работе у людей может возникнуть идея, которая бы не пришла в голову при индивидуальной работе; коллектив, созданный педагогом Макаренко из беспризорных детей, не воспринял воровства, матерщины, беспорядка, свойственных почти всем его членам.

Помимо перечисленных свойств большие системы обладают свойствами эмерджентности , синергичности и мультипликативности .

Свойство эмерджентности – это

• 1) одно из первично-фундаментальных свойств больших систем, означающее, что целевые функции отдельных подсистем, как правило, не совпадают с целевой функцией самой БС;
• 2) появление качественно новых свойств у организованной системы, отсутствующих у ее элементов и не характерных для них.

Свойство синергичности – одно из первично-фундаментальных свойств больших систем, означающее однонаправленность действий в системе, которое приводит к усилению (умножению) конечного результата.

Свойство мультипликативности – одно из первично-фундаментальных свойств больших систем, означающее, что эффекты, как положительные, так и отрицательные, в БС обладают свойством умножения.
Каждая система имеет входное воздействие, систему обработки, конечные результаты и обратную связь (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема функционирования системы

Классификация систем может быть проведена по различным признакам, однако основной является группировка их в трех подсистемах: технической, биологической и социальной.

Техническая подсистема включает станки, оборудование, компьютеры и другие работоспособные изделия, имеющие инструкции для пользователя. Набор решений в технической системе ограничен и последствия решений обычно предопределены. Например, порядок включения и работы с компьютером, порядок управления автомобилем, методика расчета мачтовых опор для ЛЭП, решение задач по математике и др. Такие решения носят формализованный характер и выполняются в строго определенном порядке. Профессионализм специалиста, принимающего решения в технической системе, определяет качество принятого и выполненного решения. Например, хороший программист может эффективно использовать ресурсы компьютера и создавать качественный программный продукт, а неквалифицированный может испортить информационную и техническую базу компьютера.

Биологическая подсистема включает флору и фауну планеты, в том числе относительно замкнутые биологические подсистемы, например муравейник, человеческий организм и др. Эта подсистема обладает большим разнообразием функционирования, чем техническая. Набор решений в биологической системе также ограничен из-за медленного эволюционного развития животного и растительного мира. Тем не менее последствия решений в биологических подсистемах часто оказываются непредсказуемыми. Например, решения врача, связанные с методами и средствами лечения пациентов, решения агронома о применении тех или иных химикатов в качестве удобрений. Решения в таких подсистемах предполагают разработку нескольких альтернативных вариантов и выбор лучшего из них по каким-либо признакам. Профессионализм специалиста определяется его способностью находить лучшее из альтернативных решений, т.е. он должен правильно ответить на вопрос: что будет, если..?

Социальная (общественная) подсистема характеризуется наличием человека в совокупности взаимосвязанных элементов. В качестве характерных примеров социальных подсистем можно привести семью, производственный коллектив, неформальную организацию, водителя, управляющего автомобилем, и даже одного отдельного человека (самого по себе). Эти подсистемы существенно опережают биологические по разнообразию функционирования. Набор решений в социальной подсистеме характеризуется большим динамизмом, как в количестве, так и в средствах и методах реализации. Это объясняется высоким темпом изменения сознания человека, а также нюансов в его реакциях на одинаковые однотипные ситуации.

Перечисленные виды подсистем обладают различным уровнем неопределенности (непредсказуемости) в результатах реализации решений (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Соотношение неопределенностей в деятельности различных подсистем

Не случайно в мировой практике легче получить статус профессионала в технической подсистеме, значительно труднее – в биологической и чрезвычайно трудно – в социальной!
Можно привести очень большой список выдающихся конструкторов, изобретателей, рабочих, физиков и других специалистов-техников; значительно меньше – выдающихся врачей, ветеринаров, биологов и т.д.; на пальцах можно перечислить выдающихся руководителей государств, организаций, глав семей и т.д.

Среди выдающихся личностей, работавших с технической подсистемой, достойное место занимают: И. Кеплер (1571–1630) – немецкий астроном; И. Ньютон (1643–1727) – английский математик, механик, астроном и физик; М.В. Ломоносов (1711–1765) – российский естествоиспытатель; П.С. Лаплас (1749–1827) – французский математик, астроном, физик; А. Эйнштейн (1879–1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики; С.П. Королев (1906/07–1966) – советский конструктор и др.
Среди выдающихся ученых, работавших с биологической подсистемой, можно назвать следующих: Гиппократ (ок. 460 – ок. 370 до н. э.) – древнегреческий врач, материалист; К. Линней (1707–1778) – шведский естествоиспытатель; Ч. Дарвин (1809–1882) – английский естествоиспытатель; В.И. Вернадский (1863–1945) – естествоиспытатель, гео- и биохимик и др.
Среди персоналий, работавших в социальной подсистеме, нет общепризнанных лидеров. Хотя по ряду признаков к ним относят российского императора Петра I, американского бизнесмена Г. Форда и других личностей.
Социальная система может включать биологическую и техническую подсистемы, а биологическая – техническую (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Взаимодействие подсистем

Социальные, биологические и технические системы могут быть: искусственными и естественными, открытыми и закрытыми, полностью и частично предсказуемыми (детерминированные и стохастические), жесткими и мягкими. В дальнейшем классификация систем будет рассматриваться на примере социальных систем.
Искусственные системы создаются по желанию человека или какого-либо общества для реализации намеченных программ или целей. Например, семья, конструкторское бюро, студенческий профсоюз, предвыборное объединение.
Естественные системы создаются природой или обществом. Например, система мироздания, циклическая система землепользования, стратегия устойчивого развития мировой экономики.
Открытые системы характеризуются широким набором связей с внешней средой, сильной зависимостью от нее. Например, коммерческие фирмы, средства массовой информации, органы местной власти.
Закрытые системы характеризуются главным образом внутренними связями и создаются людьми или компаниями для удовлетворения потребностей и интересов преимущественно своего персонала, компании или учредителей. Например, профсоюзы, политические партии, масонские общества, семья на Востоке.
Детерминированные (предсказуемые) системы функционируют по заранее заданным правилам, с заранее определенным результатом. Например, обучение студентов в институте, производство типовой продукции.
Стохастические (вероятностные) системы характеризуются трудно предсказуемыми входными воздействиями внешней и (или) внутренней среды и выходными результатами. Например, исследовательские подразделения, предпринимательские компании, игра в русское лото.
Мягкие системы характеризуются высокой чувствительностью к внешним воздействиям, а вследствие этого – слабой устойчивостью. Например, система котировок ценных бумаг, новые организации, человек при отсутствии твердых жизненных целей.
Жесткие системы – это обычно авторитарные, основанные на высоком профессионализме небольшой группы руководителей организации. Такие системы обладают большой устойчивостью к внешним воздействиям, слабо реагируют на небольшие воздействия. Например, церковь, авторитарные государственные режимы.
Кроме того, системы могут быть простыми и сложными, активными и пассивными.

Приложения

Дается характеристика систем, их особенностей, уровней организации. Особо выделяются исторические персоналии, внесшие вклад в развитие систем.

Сравните живые и неживые системы.

Заполните таблицу:

Клеточный уровень организации живой материи: значение, роль в природе (презентация)

Сообщение ученика по интересующей его теме: «Нация как проявление пространственной организации жизни»

Жизнь – это поток событий, обеспеченный определенной пространственной организацией.

Как сказал В.И. Вернадский, «Быть живым – значит быть организованным».

Одной из форм пространственной организации жизни является нация, которая формируется вследствие взаимодействия группы людей с окружающей средой.

Нацию определяют три признака: язык, историческая память, и территория, на которой эта нация живет. Любая система лишь тогда выживает, когда ее составные части несут достаточно информации, чтобы приспособиться к вечно изменяющимся условиям нашей планеты. Для человечества это означает, что каждый народ должен обрести свой неповторимый опыт, он же откладывается в культурных достижениях, которые могут оказаться нужными всем. Обратимся к такому примеру: Япония.

Японцы учат всех нас приспосабливаться к условиям «космического корабля», когда всего мало – естественных ресурсов, пространства, - все надо беречь, а потому каждый должен воспитывать в себе скромность в личных потребностях. С Японии к нам пришла икебана- искусство изысканных композиций из минимального количества естественного материала; короткий стих, передающий неповторимость мгновения, - хокку, и обряд чайной церемонии, когда всем надлежит любоваться и радоваться всему, что тебя окружает.

Вопрос классу:

Изобразите уровни организации живого, известные Вам из курса биологии. Определите, какой уровень организации (система) заинтересовал вас как объект дальнейшего изучения?

Биологические объекты различной степени сложности (клетки, организмы, популяции и ви­ды, биогеоценозы и саму биосферу) рассматривают в настоящее время в качестве биологических систем.

Система - это единство структурных компонентов, взаимодействие которых порождает новые свойства по сравнению с их механической совокупностью. Так, организмы состоят из органов, органы образованы тканями, а ткани формируют клетки.

Характерными чертами биологических систем являются их целостность, уровневый принцип организации, о чем говорилось выше, и открытость. Целостность биологических систем в значи­тельной степени достигается за счет саморегуляции, функционирующей по принципу обратной связи.

К открытым системам относят системы, между которыми и окружающей средой происходит обмен веществ, энергии и информации, например, растения в процессе фотосинтеза улавливают солнечный свет и поглощают воду и углекислый газ, выделяя кислород.

Общие признаки биологических систем: клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и развитие, воспроизведение, эволюция

Биологические системы отличаются от тел неживой природы совокупностью признаков и свойств, среди которых основными являются клеточное строение, особенности химического состава, обмен веществ и превращения энергии, гомеостаз, раздражимость, движение, рост и раз­витие, воспроизведение и эволюция.

Элементарной структурно-функциональной единицей живого является клетка. Даже вирусы, относящиеся к неклеточным формам жизни, неспособны к самовоспроизведению вне клеток.

Различают два типа строения клеток: прокариотические и эукариотические. Прокариотические клетки не имеют сформированного ядра, их генетическая информация сосредоточена в ци­топлазме. К прокариотам относят прежде всего бактерии. Генетическая информация в эукариоти- ческих клетках хранится в особой структуре - ядре. Эукариотами являются растения, животные и грибы. Если в одноклеточных организмах клетке присущи все проявления живого, то у много­клеточных происходит специализация клеток.

В живых организмах не встречается ни одного химического элемента, которого бы не было в неживой природе, однако их концентрации существенно различаются в первом и во втором слу­чаях. Преобладают в живой природе такие элементы, как углерод, водород и кислород, которые входят в состав органических соединений, тогда как для неживой природы в основном характер­ны неорганические вещества. Важнейшими органическими соединениями являются нуклеиновые кислоты и белки, которые обеспечивают функции самовоспроизведения и самоподдержания, но ни одно из этих веществ не является носителем жизни, поскольку ни по отдельности, ни в группе они не способны к самовоспроизведению - для этого необходим целостный комплекс молекул и структур, которым и является клетка.

Все живые системы, в том числе клетки и организмы, являются открытыми системами. Од­нако, в отличие от неживой природы, где в основном происходит перенос веществ с одного места в другое или изменение их агрегатного состояния, живые существа способны к химическому превращению потребляемых веществ и использованию энергии. Обмен веществ и превращения энергии связаны с такими процессами, как питание, дыхание и выделение.

Подпитанием обычно понимают поступление в организм, переваривание и усвоение им ве­ществ, необходимых для пополнения энергетических запасов и построения тела организма. По способу питания все организмы делят на автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофы - это организмы, которые способны сами синтезировать органические вещества из неорганических.

Гетеротрофы - это организмы, которые потребляют в пищу готовые органические вещества.

Автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофы используют для синтеза органических веществ энергию солнечного света. Процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений называется фотосинтезом. К фотоавтотрофам относится подавляющее большинство растений и некоторые бактерии (например, циано- бактерии). В целом фотосинтез не слишком продуктивный процесс, вследствие чего большинство растений вынуждено вести прикрепленный образ жизни. Хемоавтотрофы извлекают энергию для синтеза органических соединений из неорганических соединений. Этот процесс называется хемосинтезом. Типичными хемоавтотрофами являются некоторые бактерии, в том числе серобак­терии и железобактерии.

Остальные организмы - животные, грибы и подавляющее большинство бактерий - относятся к гетеротрофам.

Дыханием называют процесс расщепления органических веществ до более простых, при кото­ром выделяется энергия, необходимая для поддержания жизнедеятельности организмов.

Различают аэробное дыхание, требующее кислорода, и анаэробное, протекающее без участия кислорода. Большинство организмов является аэробами, хотя среди бактерий, грибов и животных встречаются и анаэробы. При кислородном дыхании сложные органические вещества могут рас­щепляться до воды и углекислого газа.

Подвыделением обычно понимают выведение из организма конечных продуктов метаболизма и избытка различных веществ (воды, солей и др.), поступивших с пищей или образовавшихся в нем. Особенно интенсивно процессы выделения протекают у животных, тогда как растения чрезвычайно экономны.

Благодаря обмену веществ и энергии обеспечивается взаимосвязь организма с окружающей средой и поддерживается гомеостаз.

Гомеостаз - это способность биологических систем противостоять изменениям и поддержи­вать относительное постоянство химического состава, строения и свойств, а также обеспечивать постоянство функционирования в изменяющихся условиях окружающей среды. Приспособление же к изменяющимся условиям среды называетсяадаптацией.

Раздражимость - это универсальное свойство живого реагировать на внешние и внутренние воздействия, которое лежит в основе приспособления организма к условиям окружающей среды и их выживания. Реакция растений на изменения внешних условий заключается, например, в по­вороте листовых пластинок к свету, а у большинства животных она имеет более сложные формы, имеющие рефлекторный характер.

Движение - неотъемлемое свойство биологических систем. Оно проявляется не только в виде перемещения тел и их частей в пространстве, например, в ответ на раздражение, но и в процессе роста и развития.

Новые организмы, появляющиеся в результате репродукции, получают от родителей не го­товые признаки, а определенные генетические программы, возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуального развития. Индивидуальное развитие выражается, как правило, в количественных и качественных измене­ниях организма. Количественные изменения организма называютсяростом. Они проявляются, например, в виде увеличения массы и линейных размеров организма, что основано на воспроиз­ведении молекул, клеток и других биологических структур.

Развитие организма - это появление качественных различий в структуре, усложнение функ­ций и т. д., что базируется на дифференцировании клеток.

Рост организмов может продолжаться всю жизнь или заканчиваться на каком-то определен­ном ее этапе. В первом случае говорят о неограниченном, или открытом росте. Он характерен для растений и грибов. Во втором случае мы имеем дело с ограниченным, или закрытым ростом, присущим животным и бактериям.

Продолжительность существования отдельной клетки, организма, вида и других биологи­ческих систем ограничена во времени в основном из-за воздействия факторов окружающей среды, поэтому требуется постоянное воспроизведение этих систем. В основе воспроизведения клеток и организмов лежит процесс самоудвоения молекул ДНК. Размножение организмов обеспечивает существование вида, а размножение всех видов, населяющих Землю, обеспечивает существование биосферы.

Наследственностью называют передачу признаков родительских форм в ряду поколений.

Однако, если бы при воспроизведении признаки сохранялись, приспособление к меняющимся условиям окружающей среды было бы невозможным. В связи с этим появилось противоположное наследственности свойство - изменчивость.

Изменчивость - это возможность приобретения в течение жизни новых признаков и свойств, которое обеспечивает эволюцию и выживание наиболее приспособленных видов.

Эволюция - это необратимый процесс исторического развития живого.

Она базируется на прогрессивном размножении, наследственной изменчивости, борьбе за существование и естественном отборе. Действие этих факторов привело к огромному разно­образию форм жизни, приспособленных к различным условиям среды обитания. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней: доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняю­щихся многоклеточных вплоть до человека.

Схемы и таблицы (1-3 лекции)