Организм — открытая система

Живой организм — открытая биологическая система

Все организмы живут в какой-либо характерной для них среде обитания. Из нее организмы получают необходимую пищу, укрытие от неблагоприятных факторов. Среда обитания создает условия для размножения, развития и роста организмов. Таким образом, организм и среда взаимосвязаны, и первый достаточно сильно зависит от второй. Вместе с пищей организмы получают из среды необходимую им энергию, а также выделяют в среду «отработанные» вещества и энергию. Отсюда следует, что живой организм — это открытая система.

В живой природе есть два основных типа питания — автотрофный и гетеротрофный. Автотрофные организмы не нуждаются в готовой органической пище. Они могут ее синтезировать сами. К автотрофам относятся растения (в том числе водоросли), цианобактерии, ряд прокариот (архебактерии, осуществляющие хемосинтез). Гетеротрофы получают исходные органические вещества из внешней среды. К ним принадлежат животные, грибы, большинство прокариот. Также в природе существуют организмы со смешанным типом питания — миксотрофным. Обычно на свету они сами синтезируют с помощью фотосинтеза органические вещества, а в темноте переходят к гетеротрофному типу питания. К таким организмам относится эвглена зеленая, насекомоядные растения, некоторые хламидомонады.

Организм — это открыта система, так как он и потребляет, и расходует энергию. Энергия необходима для работы органов, движения, поддержание температуры тела и многое другое. При этом расход энергии необратим и происходит только в направлении внешней среды. С помощью экспериментов было установлено, что суммарное количество энергии, которое получает живой организм с пищей за определенный промежуток времени, эквивалентно количеству энергии, выделяемому в виде тепла и содержащемуся в продуктах выделения, и энергетическим затратам на совершаемую работу. На эту особенность живого обращал внимание еще Э. Шредингер. Он отмечал, что биосистемы обмениваются энергией и веществом с окружающей средой, и поэтому являются открытыми, в отличие от закрытых неживых систем. Прекращение обмена веществ и потока энергии для организмов означает утрату структурной организации и смерть.

Живой организм — открытая биосистема
Живой организм — открытая биосистема
Организм — это открытая саморегулирующаяся биосистема, которая посредством использования энергии Солнца поддерживает и воспроизводит собственную структуру, стремящуюся выжить, путем усложнения и приспособления к внешней среде.

Важнейшим фактором, обеспечивающим саморегулирование организма и его отношения с внешней средой, является обмен веществ, который называется метаболизмом (греч. metabole — превращение). Метаболизм представляет собой множество взаимосвязанных химических реакций, протекающих в клетках, тканях и органах организма. Благодаря этому организм растет, в нем протекают процессы жизнедеятельности, размножается и осуществляет обратную связь с внешней средой.

Метаболизм складывается из двух взаимосвязанных и одновременно протекающих процессов: ассимиляции (синтез сложных веществ из простых) и диссимиляции (расщепление сложных веществ на более простые). В организме как открытой системе ассимиляционные процессы обусловливают начало диссимиляционных процессов, и наоборот.

Типы метаболизма

В зависимости от потребления организмами кислорода различают аэробный и анаэробный типы обмена веществ. Аэробный (от греч. aer — воздух и bios — жизнь) тип метаболизма наблюдается у организмов, способных жить и развиваться только при наличии в среде свободного кислорода, который они используют в качестве окислителя. Анаэробный (от греч. an — отрицание, aer — воздух и bios — жизнь) тип метаболизма свойственен организмам, которые способны жить при отсутствии кислорода в окружающей среде.

Термин «анаэробы» ввел в науку Луи Пастер в 1861 году при изучении бактерии маслянокислого брожения. Анаэробный тип метаболизма встречается в основном у прокариот, редко у эукариот (дрожжи, черви-паразиты и др.). У анаэробов в метаболизме в качестве окислителя используется не кислород, а другие вещества.

Значение питания для обмена веществ

У всех организмов обмен веществ тесно связан с питанием, то есть потреблением пищи и энергии извне, из окружающей среды. Для поглощения пищи и ее переработки у многоклеточных организмов в процессе эволюции сформировалась специализированная система органов — пищеварительная система.

У животных в процессе питания пища, содержащая органические вещества, поступает в пищеварительную систему организма. Здесь она измельчается и химически обрабатывается пищеварительными ферментами желудка и кишечника — переваривается. В результате происходит гидролиз практически всех поглощенных питательных веществ с образованием более простых молекул. Простые молекулы быстро всасываются через слизистую оболочку кишечника, а затем с током крови и лимфы доставляются в клетки различных тканей многоклеточного организма. Выделяющаяся в процессе пищеварения энергия используется организмом, а ненужные вещества (продукты распада) обычно удаляются во внешнюю среду. Сходные процессы происходят и у одноклеточных организмов.

У растений есть два взаимодополняющих типа питания — воздушное (углеродное) и почвенное (минеральное). Для осуществления обоих типов питания у высших растений сформировались специализированные органы: в надземной части побег, в подземной — корень.

Два типа питания растительного организма
Два типа питания растительного организма: 1 — органы воздушного питания; 2 — органы почвенного питания; 3 — восходящий ток веществ; 4 — нисходящий ток веществ

Углеродное питание растений осуществляет побег в процессе фотосинтеза. Специализированным органом воздушного питания является лист, в клетках которого содержатся хлоропласты с хлорофиллом. Минеральное питание растений осуществляют их корни. С помощью корневых волосков растение поглощает воду с растворенными минеральными веществами. У водорослей, не имеющих разделение тела на органы, питание осуществляется в водной среде всей поверхностью таллома.

Таким образом, в процессе обмена веществ у всех живых организмов постоянно происходит поступление веществ и энергии из окружающей среды и выделение продуктов обмена и энергии во внешнюю среду. Этот факт указывает на то, что живые организмы — открытые системы.