INSUSIRI ALE SISTEMELOR BIOLOGICE

1. Caracterul istoric.

Toata lumea cunoscuta de om sufera o evolutie in timp. Sistemele biologice nu fac exceptie. Pentru intelegerea starii actuale a unui sistem biologic este necesar sa ii cunoastem nasterea si evolutia pana in zilele noastre, deoarece structura si proprietatile actuale ale sistemului sunt rezultatul istoric al evolutiei sale.

2. Dependenta de conditia initiala si caracterul neliniar al reactiei sistemului la schimbarea conditiilor.

Sistemul format in anumite conditii de mediu este dependent de aceste conditii, datorita faptului ca aparitia lui este rezultatul adaptarii optime la aceste conditii (sistemele mai putin adaptate dispar sau evolueaza in alte directii). De aceea orice schimbare, chiar si aparent neinsemnata poate provoca modificari importante ale sistemului sau poate provoca disparitia sa. Din aceasta cauza este dificil sa se prevada evolutia in viitor a unui sistem biologic.

3. Caracterul informational.

Sistemele biologice sunt capabile sa receptioneze si sa prelucreze informatii care provin din mediul in care traiesc, precum si sa le transmita altor sisteme. Codificarea poate fi de natura fizica, chimica sau biologica (genetica) si este specifica fiecarui sistem biologic (individ, populatie, biocenoza). Aceste informatii sistemul le poate folosi in favoarea sa in procesul de integrare in mediul lui de viata si in concurenta cu alte sisteme.

4. Integralitatea sistemelor biologice

Un sistem biologic, cu toate ca este constituit din numeroase parti componente, se comporta ca un intreg. Nu este suma partilor componente, ci dobandeste insusiri proprii, pe care nu le au subsistemele din care este alcatuit. Apar functii pe care nici una din parti nu la are. Mai mult decat atat, functiile partilor sunt subordonate intregului, iar datorita conexiunilor dintre parti, si partile primesc insusiri noi. Integralitatea este cea mai dezvoltata la organismele individuale, este mai redusa la populatii si si mai redusa la biocenoze, respectiv la ecosisteme.

Autoreglarea

Sistemele biologice sunt capabile de a mentine anumiti parametri fizici (temperatura, presiune) si chimici (anumite concentratii, pH) in anumite limite stabilite de organism in functie de necesitati. Aceasta calitate de mentinere constanta a anumitor parametri poarta numele de homeostaza.

Fiind sisteme cibernetice, sistemele biologice sunt capabile de autoreglare pe baza de conexiuni inverse (feed-back), prin care iesirile regleaza intrarile. Mentinerea unui parametru intre limitele programate se realizeaza prin feed-back negativ. De exemplu temperatura unui termostat se mentine "constanta" prin aceea ca daca ea coboara sub o anumita valoare, are loc conectarea incalzirii, iar daca depaseste o anumita valoare stabilita, se provoaca deconectarea incalzirii (figura 1). Astfel se mentine si temperatura animalelor cu sange cald. Daca corpul se raceste sub o anumita valoare a temperaturii, intra in functie mecanismele care initiaza reactii exoterme, iar daca se depaseste valoarea prevazuta, se opresc (se reduc) procesele exoterme, intrand in functie mecanismele proceselor endoterme (de racire), cum ar fi transpitatia, intensificarea respiratiei, ambele cu scopul de a intensifica evaporarea apei, proces endoterm, si altele).

Conexiunile inverse pozitive, dimpotriva, duc la marirea abaterii de la valoarea de control a parametrului urmarit, si au efect destructiv asupra sistemului, daca nu sunt compensate de conexiuni inverse negative corespunzatoare.

Mai trebuie mentionat ca valoarea parametrilor care trebuie mentinuta intre anumite limite nu este impusa din afara, sistemele biologice nu efectueaza reglarea in mod pasiv, ci sunt capabile sa stabileasca, sa aleaga, valoarea optima a parametrilor in functie de necesitati (febra).

Figura 2 reda schema homeostazei temperaturii intr-un organism animal. Rezultatul reglarii automate a temperaturii consta in reducerea puternica a oscilatiilor de temperatura ale mediului extern. In mediul intern aceste oscilatii sunt mult mai

reduse. Eficienta reglarii depinde de amploarea si frecventa (viteza) fluctuatiilor si de rezervele de energie necesare incalzirii si racirii corpului pentru a mentine constanta temperatura. Intre anumite limite ale acestora reglarea se poate asigura.

6. Caracterul autopoetic

Caracterul autopoetic al sistemelor biologice se manifesta prin capacitatea de a se autoreface, atat la nivelul componentelor deteriorate sau uzate, cat si prin autoreproducere, adica de producere a unor sisteme similare. Refacerea ADN-ului, vindecarea ranilor, inlocuirea hematiilor, descompunerea cu cheltuiala de energie a macromoleculelor proteinelor pliate dfectuos sau avand alte defecte, si inlocuirea lor cu altele proaspat sintetizate, regenerarea unor parti ale corpului (coada la soparle, videcarea ranilor), regenerarea populatiilor dintr-­un numar redus de indivizi, indica toate capacitatea autopoetica a sistemelor biologice.

7. Comportamentul antientropic.

In sisteme izolate, conform principiului al 2-lea al termodinamicii, evolutia nu poate decurge spontan, decat in sensul cresterii entropiei, diversele forme concrete ale energiei interne terminand in agitatie termica. Entropia, caracterizata prin dezordine, creste. Sistemele biologice nu sunt insa sisteme izolate, ci sisteme deschise, care au schimburi cu cosmosul, mai concret primesc energie radianta de la soare, principala sursa energetica a vietii actuale pe pamant.

Este posibil ca la inceputurile aparitiei vietii pe pamant, inainte de a apare bacteriile capabile de fotosinteza (cianobacteriile), anumite ecosisteme sa fi functionat in mare masura ca sisteme izolate. Energia necesara proceselor vitale era asigurata de reactii chimice, cum ar fi cea dintre compusi cu sulf si fier, care, dupa ce s-a solidificat scoarta terestra, nu au putut reactiona direct, din lipsa de contact intre moleculele reactante (fiind vorba de solide), sau din lipsa de catalizatori. Au pu-tut fi insa utilizate de procariote ca sursa de energie, acestea dispunand de catali-zatori capabili de a solubiliza componentele chimice si de a provoca reactiile aminti-te. Este evident ca un astfel de ecosistem putea asigura energia necesara vietii, atata timp cat mai existau reactanti nereactionati. Odata cu terminarea sursei de energie, insa, se termina si viata. Acest lucru se poate extinde si la toata suprafata pamantului. Poate ca daca nu aparea fotosinteza, cu posibilitatea de a utiliza o sursa de energie cu o durata mult mai lunga de existenta, Pamantul ar arata astazi ca Marte.

Datorita acestei surse continue de energie, sistemele biologice au posibilitatea de a se organiza, crescand ordinea si deci descrescand propria lor entropie. Aceste sisteme nu contrazic cu nimic principiul al doilea al termodinamicii, nefiind izolate. Datorita capacitatii lor de a­-si creste gradul de ordine, si deci de a-si descreste entropia, ele se numesc uneori - la rigoare, impropriu - "sisteme antientropice".

8. Caracterul fractal

Am discutat raportul dintre suprafata si volum, suprafata specifica, la dimensiunile celulelor. Problema este insa mai vasta, tendinta de a-si mari suprafata pana la valoarea optima, maxima posibila in conditiile date, o intalnim la toate sitemele biologice. De exemplu frunzele plantelor, cu forma lor de foaie, asigura un contact mai bun cu aerul din jur si ofera o suprafata mai mare pentru captarea razelor solare, decat ar face-o niste sfere sau tuburi. Toate organismele pluricelulare sunt fragmentate nu numai in celule individuale, ci si in diferite organe, astfel ca fractalitatea este o proprietate generala a sistemelor biologice.

9. Caracterul dinamic al sistemelor biologice.

Sistemele biologice se afla intr-un "echilibru dinamic" cu mediul. Mai precis ar corespunde termenul de "stare quasistationara" indicand faptul ca starea dintr-un moment dat nu este inghetata, ci se poate modifica, odata cu modificarea conditiilor exterioare. Termenul de stare stationara (quasistationara) este mai potrivit decat cel de echilibru, deoarece in chimie prin echilibru dinamic se intelege starea in care procese opuse se desfasoara cu aceeasi viteza. Or, in cazul sistemelor biologice de cele mai multe ori si in special in procesul fundamental al fotosintezei, procesele decurg intr­un singur sens: lumina se absoarbe (nu se mai restituie soarelui) si este folosita la realizarea diferitelor sinteze din organisme si la asigurarea energiei pentru miscare, reglare, reproducere, etc.

Chiar daca conditiile exterioare raman neschimbate, "echilibrul", realizat prin conexiuni inverse negative, provoaca oscilatii in jurul starii stationare. Cum nici parametri mediului nu sunt constanti, "echilibrul" se deplaseaza permanent. Capacitatea sistemelor de a-si mentine starea relativ constanta se numeste uneori homeostazie. Deoarece sistemele biologice reactioneaza deseori activ la modificari imprevizibile ale mediului, altii prefera termenul de stabilitate homeodinamica (Yates) sau homeorheza (Waddington).

Marea sensibilitate la modificari ale parametrilor mediului si reactia neliniara, disproportionata de care s-a mai vorbit, poate provoca doua mecanisme importante pentru sistemele biologice: bifurcatiile si haosul.

Bifurcatiile

Oscilatiile amintite, se pot amplifica si pot deveni neperiodice, cauzand multiplicitatea traiectoriilor posibile ale evolutiei sistemului. Fenomenul se numeste bifurcatie si are ca rezultat aparitia unor noi linii de evolutie (de ex. specii noi).

Haosul

Oscilatiile prea ample pot da peste cap sistemul, generand haos. De exemplu exista un echilibru dinamic intre biomasa vegetala a unor paduri sau culturi si daunatorii, care se hranesc din acestea, adica exista fluctuatii: creste numarul daunatorilor, scade baza de nutritie, care la randul ei provoaca o diminuare a daunatorilor, ciclul repetandu-se. Dar exista posibilitatea, ca datorita unor factori imprevizibili (care pot fi atat bilologici, cat si fizici), sa aiba loc o explozie demografica a daunatorilor, care prin numarul lor isi distrug propria baza de existenta, sistemul intreg disparand. Dar acest lucru nu inseamna decat un nou inceput. Viata se reface, din exemplare supravietuitoare (care pot prezenta proprietati neintalnite la predecesori, erori de evolutie, care le-au conferit capacitatea de a supravietui), ca si prin organisme de import, din alte zone. Din aceasta cauza nu se poate prevedea evolutia de dupa haos a unui sistem.

Un exemplu recent il ofera distrugerea padurilor nordice de molid de niste insecte, care s-au inmultit peste masura, datorita incalzirii climei, incalzire, care de-o parte le-a permis insectelor doua reproduceri pe an, de alta a slabit rezistenta copacilor, capacitatea acestora de a raspunde la intepaturile insectelor (care se hranesc cu substanta unei pielite dintre scoarta si trunchi) cu eliminare energica de terpene, fiind mult redusa.

10. Ierarhia de programe

Programul este schimbarea posibila, viitoare, a sistemului, determinata de structura lui. Deoarece un sistem are numeroase stari posibile, permise de structura si organizarea lui, el va avea si numeroase programe. Numarul programelor este limitat, doearece depinde de conditiile de viata existente, de corelatiile cu exteriorul. Un program se poate realiza numai daca exista conditiile portivite, dar pentru aceleasi conditii pot exista mai multe programe. De ex. o pasare isi poate construi cuibul, numai daca isi gaseste locul potrivit si materialele necesare.

Se pot distinge 3 categorii de programe:

Programe proprii, sau "programe pentru sine", constand din structurile si functiile unui organism, care asigura autoconservarea: apararea, gasirea hranei, consumul ei, digerarea, etc.

Programe inferioare, adica programele subsistemelor sistemului dat. In cazul unui organism, acestea sunt de ex. programele celulelor, tesuturilor si organelor acestuia.

Programe superioare, care asigura functiile sistemului dat in vederea asigurarii functiilor sistemului superior. In cazul unui individ, acele functii care asigura bunul mers al populatiei, respectiv al speciei. Aici intra toate programele legate de reroducere sau inmultire.

In cazul schimbarii conditiilor de viata, primele se modifica programele superioare. De ex. la animale si plante domestice, la care toti parametri structurali si functionali sunt modificati in sensul util omului, programele superioare, cum ar fi reproducerea, sunt subordonate sistemului social uman si supravietuirii speciei date, a carei persistenta este in intregime controlata de om.

Programele subsistemelor sunt coordonate de programului superior si subordo-nate acestuia.