7.12M

Category:

biology

Самоорганизация и происхождение живых систем

1.

НГУ
Профессор СУНЦ НГУ к. б. н. О. В. Саблина

Жизнь есть
наиневероятнейшее
состояние материи
Э. Шредингер
Жизнь – это форма существования
макроскопических
гетерогенных
открытых систем,
далеких от равновесия,
способных к самоорганизации,
саморегуляции и
самовоспроизведению
Системы
М.В. Волькенштейн

3.

Система
( - составленный)
– целое, составленное из частей;
соединение элементов, связаных друг с другом
прямыми и обратными связями,
образующее единство с окружающей средой
обмен информацией
прямые и обратные связи
возникновение
управления

4.

Системы
Открытые
Замкнутые
Наличие обмена
веществом, энергией
и информацией
со средой
Отсутствует обмен
веществом, энергией
и информацией
со средой
Стационарное состояние
Энтропия
понижается
Равновесие
Энтропия
максимальна

5.

Системы
Открытые системы
Неравновесны
Низкоэнтропийны
Устойчивы
Структурированы
Жизнь… – это работа специальным образом
организованной системы, направленная на
понижение собственной энтропии за счет
повышения энтропии окружающей среды
Э. Шредингер

6.

Системы
Простые
Состоят из небольшого числа
простых элементов
Поведение системы
однозначно следует
определенному алгоритму
Флуктуация
равновесие
Сложные
Состоят из большого числа
элементов, которые
представляют собой подсистемы
Поведение системы
однозначно
не определяется
Флуктуация

7.

Системы
Поведение системы
Прекращение поступления энергии ведет к распаду
Поддержание гомеостаза
Выходы из неустойчивости могут быть разными
Одного состояния можно достигнуть разными путями
Для перехода нужна флуктуация
Неустойчивость
Система
Энергия
Энергия
системы
0
Флуктуация
Флуктуация

8.

Системы
Постоянные
малые
флуктуации
Поведение системы
или
«Расшатывание
гомеостаза»
Дестабилизация
системы
Новая
устойчивость
0
«Удачная»
флуктуация
Скачок в
неустойчивость
Энергия
системы
Гибель

9.

Системы
Сложные системы
Много элементов
Многочисленные сложные
связи между элементами
Динамическое равновесие
(колебания между
устойчивостью и
неустойчивостью)
Флуктуации
Возникновение
системных
свойств

10.

Системы
Системные свойства
взаимоотношения и взаимодействия
элементов на основе информации,
которой тем или иным способом обмениваются
элементы

11.

Системы
Важнейшие системные свойства
Иерархичность устройства
Устойчивость – способность к поддержанию
гомеостаза
Альтернативность путей функционирования и
развития
Эмерджентность – наличие качеств, присущих
системе в целом, но не свойственных ни одному из
ее элементов в отдельности

12.

i
Надцарство
Царство
биосфера
Тип
Класс
экосистемы
Отряд
Семейство
Род
виды
популяции
Вселенная
скопления галактик
Галактика
Солнечная
система
межгалактические
газовые облака
Земля
многоклеточные
организмы
горные породы
клетки
макромолекулы
молекулы
атомы
элементарные частицы,
поля, кварки

13.

Эмерджентность (неаддитивность)
«целое больше, чем сумма составляющих его частей»
Углерод, кислород, водород
Окись
этилена
Уксус
Глюкоза
Целлюлоза
углекислый
газированная
газ
Свойства системы определяются
между элементами
вода
связями

14.

«Целое больше,
чем сумма составляющих его частей»

15.

Самоорганизация
–
процесс
упорядочения
в сложной
переход
в новую устойчивость
открытой неравновесной системе
возникновение структуры
без
поступления извне
каких-либо инструкций, команд,
а только
энергии

16.

Самоорганизация
процесс упорядочения в сложной
открытой неравновесной системе
Самоорганизация
Для самоорганизации нужна
– возникновение структуры
флуктуация
без
Сначала система
поступления извне
должна
быть инструкций,
выведена из состояния
каких-либо
команд,
динамического равновесия
а только
энергии

17.

Самоорганизация
«Удачная»
флуктуация
Скачок в
флуктуация
возникновение
Новая
неустойчивость
устойчивость
структуры
Гибель

18.

Палеонтологическая летопись
Условия среды
постоянны
Время
Стазис
Быстрое
изменение
Условия
Флуксреды
резко
туация
меняются
Стазис
Условия среды
постоянны

19.

Самоорганизация
Альтернативность
путей развития
Эмерджентность
нормальный
аномальный

20.

Самоорганизация
Постройка термитника
Сигнал
Хватай комочек
и неси!
Сигнал
Кидай свой
комочек сюда!

21.

Свойства сложных открытых
неравновесных систем
Способность к самоорганизации
Возникновение жизни
Способность к развитию
Эволюция

22.

НГУ
Профессор СУНЦ НГУ к. б. н. О. В. Саблина

23.

Ок.
13
млрд.
лет
Ок. 7
4,5
млрд.
млрд.
лет
лет
КАК?

24.

Происхождение жизни –
четыре стадии
1) Абиогенез – синтез малых органических молекул
(аминокислот, нуклеотидов)
2) Образование биополимеров
3) Возникновение самовоспроизведения
(наследственности)
4) Образование пробионтов

25.

Показано
в
эксперименте
Абиогенез
Эксперимент Миллера и Ури
«атмосфера» – H2O, H2, CH4, NH3
Через неделю в смеси были:
глицин,
аланин, молочная кислота,
аминокислоты
белки
метилаланин, сукцинат, аспартат,
муравьиная
кислота, уксусная
Сахара
кислота, пропионовая кислота,
Азотистые
мочевина и др.
основания

26.

Что было раньше
Белки не способны к
самовоспроизведению
Белок
Генетическая
информация
ген!
(ДНК)
?
Для ДНК нужен
фермент!
(белок)
Для белка нужен
ДНК

27.

Что было раньше
?
Раньше должна была быть молекула,
которая сама:
Содержала генетическую информацию
Была способна к самоудвоению
Обладала каталитической активностью
Это была
РНК!

28.

Что было раньше
?
Раньше была молекула, которая
сама:
Содержала генетическую информацию
А откуда она взялась?
Была способна к самоудвоению
Обладала каталитической активностью
Это была
РНК!

29.

Активированный рибонуклеотид
O
HC
HC C
H2N
C
CN
N
Цианоацетилен
Гликольальдегид
H2 C
HCN
H2O
CO2
Цианамид
HO
O 2
NH
O
N
O
CH
O
OH
HO
P
O-
O
O
P
O
OH
HC
NH
N
O
Показано
в
эксперименте
H 2C
Глицеральдегид
OH
OH
O-
рибоуридин-2',3'-циклофосфат
рибоцитидин-2',3'-циклофосфат