tingyy的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/tingyy

博文

生命体是一种什么系统?

已有 1510 次阅读 2022-10-31 11:26 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦

1、生命体是一种什么系统?

用系统观念来研究生命体是科学界常用的方法。相对于自然界的各种运动系统,生命体表现为一种极为复杂的系统特性。从最简单的单细胞生物,如细菌就具有了十分复杂的结构和运动模式。而动植物这些常见的生命体,更是表现出多层次,复合组织结构,和十分复杂的各组成细胞,各组织之间的互动关系。即使科学发展到今天水平,对生命体的组织和运行过程也还不能给出比较完整准确的描述。对生命体的组成和运行过程的探索还在进行中。

在地球环境下生成和进化的生命体以碳,氢,氧元素为主体,再辅助以其他地球上比较普遍存在的氮,磷,硫,以及其他几种化学特性比较活跃的金属元素,如铁,钙等组成。这些元素组成氨基酸类的有机分子,然后进一步组合成蛋白质为主的复杂大分子。这些有机大分子组成生命体的细胞的组织体,并且在细胞内进行各种复杂的化学反应,完成能量交换维持组织的生命运行活动。这些有机大分子的活动是生命体的物质运动的基本方式。但是单个的无论多么复杂的有机大分子也无法表现出生命特征。而是这些氨基酸分子组合成为不同的蛋白质分子,蛋白酶分子,RNADNA等各种具有不同功能和结构的以后,与它们周围的水,氧气,二氧化碳等产生了十分复杂的物理,化学反应。其中起决定作用的还是最基本的原子之间的化学键,只不过有机分子之间的化学键的互相作用,通过极其复杂而巧妙地组合,产生了重要的生物作用。所以生命体系统中的生命特性是这些数量巨大的有机大分子之间的化学反应的综合特性的体现。

比如细胞内部的能量传递作用的是一种腺苷二磷酸(ADP)和腺苷三磷酸(ATP)有机分子。ATP分子在水解时会释放出比较多的能量,以提供细胞内部的其他运动所需要的能量。而ADP分子会吸收其它形式的能量转换成ATP,比如在叶绿素中吸收太阳光能量,在呼吸过程中糖分氧化释放的能量等。生命体细胞内的维持耗损系统的能量来自这些有机分子的化学反应。

生命图片1.jpg     ADPATP分子的转换为细胞提供运动能量   生命图片2.jpg       ATP分子结构图

 

而生物体内的核糖核酸长链分子RNADNA,通过四种以碳原子为核心的氨基酸环状分子的氢键的结合配对关系,形成了稳定的链型结构,从而保持了基因密码的遗传特性。而形成蛋白质的氨基酸分子也是由碳原子的化学键作用。这些遗传基因组的稳定结构和稳定的化学键关系,形成了蛋白质分子的稳定结构。在细胞内部通过遗传基因组的不同基因片段指导细胞形成不同的,但是结构稳定的蛋白质来构成细胞组织。所以遗传基因密码决定了细胞的稳定和组成结构和运行方式。其中起关键作用的仍然是基本的分子之间的化学键关系。基因组内的基因的变化可以产生出生物细胞的千差万别组织结构和运行形式,从而形成不同的但是符合遗传特性的生命体种类和不同的个体。一条人体基因组的DNA大约包含30亿个碱基对。这个基因组长链以及它的复杂的运动特性可能就是生命的奥秘所在。

生命图片3.jpg       生命图片4.jpg DNA螺旋结构

等等这些在生命体细胞单元中起作用的各种复杂的物理化学作用,其实都是以一般的物理化学规律来控制的基本作用来实现的。但是当它们以各种巧妙绝伦的方式完美地组合起来进行运作以后,就产生了不可思议的复杂运动。一个小小的细胞单元中发生的这些复杂的结构和物理化学作用,最终就产生了生命活动。细胞这个生命最原始的,最基本的单元的工作情况也是生命科学研究的重要基础。

地球生命体早期是一些结构比较简单的单细胞生物。细胞是地球生命体的最基本的构成单位。细胞由细胞壁,细胞质和细胞核组成。一般单细胞生物有细胞壁,植物细胞有细胞壁,而动物细胞只有细胞膜来包围细胞内部。细胞几乎是一切生物的基本组织单位。而进化形成了多细胞生命体,不同的细胞构成生物的不同器官和不同的组织部位。比如植物的叶,枝干,根系。动物的内脏,骨骼,筋肉,外表皮等。

一个生命体内不同的细胞组成了不同的器官组织,这些不同的组织细胞组成了生命体的整体。所有的生物无论多么复杂,它都是由一个生殖细胞成长起来的。生殖细胞在分裂生长成一个完整的生命体过程中,把遗传基因组复制到所有的细胞中。但是不同的器官,不同的部位,不同的细胞会自动地选择不同的基因来生成不同的细胞,产生不同的运动方式。生命体系统的整体神奇特性完全不同于各个组成部分的简单相加,而是各个组成部分和细胞之间完美配合,协调运行的结果。

细胞的新陈代谢是生命体系统各种运动的基本工作单元的基础运动方式。细胞的结构和内部各种组成的功能和运动是生物学的基础内容。而每个细胞的组成结构(各种蛋白质分子和互相的结合),运动方式(以蛋白酶为催化作用的有机化学反应)取决于细胞核内的DNA基因密码。所以DNA的基因密码更像是一种算法和运动方程,其中的运动原理是如此奇妙复杂,人类还在对它的工作情况进行深入的探讨。

单个细胞就具有了生命体的基本特征。每个细胞就是一个生命体系统,细胞运动要摄取营养物质,要与外部进行氧气和二氧化碳分子的交换的呼吸活动。通过营养物质的代谢来获取维持细胞运动的能量和生成由各种蛋白质组成的内部组织。单个细胞有一定的生命周期,并且可以通过分裂进行自我繁殖。同时细胞可以感知外界环境信息,也对环境有良好的自我保护和适应性反应。所以单个细胞就是构成一个完整的生命体系统。地球上有数量巨大的单细胞生物比如细菌,海洋浮游生物和一些原始的虫类,藻类生物等等,就是由一个细胞组织出来的生命体。最大的单细胞生物如深海有孔虫,衫叶厥藻甚至可以达几十厘米的尺寸。

随着生命系统的进化,基本的细胞单元组成更加复杂的多细胞生物体。多细胞生物体的器官和整体组织由不同形态特征的细胞组成。一般同一个生物体的细胞虽然形态不同,但是具有相同的基因组DNA。而不同的器官中的细胞会选择不同的基因成分来生成不同形态的细胞。细胞遗传基因在细胞分裂的时候既可以完整地保留遗传信息,也可能会发生局部的突变。等等这些复杂的的生命运动过程对人类来说目前还无法完全理解。生物物理学就是专门研究这些生命体的分子运动的物理和化学性质。而生物学,医学等是从更加完整的生命体来研究生命运动规律。这些复杂的生命体不仅仅是细胞单元数量的增加,更重要地是结构的变化,相互联系方式的转变,表现出更加强大的生命活动特性。

生命体通过从简单到复杂的进化过程从单细胞生物发展成为多细胞生物。生命体中不同的细胞分工协作共同实现生物体的各种复杂功能。即使是单细胞生命体比如浮游生物等,也表现出极其复杂的生命活动特征。而多细胞生物,也并不是单细胞的简单叠加。在多细胞生物在进化过程中不仅仅是衍生出多种不同的器官细胞,而且还有一些非细胞型的组织结构,如纤维组织,体液等。不仅如此,绝大多数生命体还通过共生关系再进一步组合成为各种不同的复合体生物。比如现在已知的人体内寄生微生物就多达两百多种。经过几十亿年的进化发展,地球上已经形成了几百万种不同形态的生命体。地球成为宇宙中非常稀有的生命乐园。

在地球生命体的生命体系中,各种生命体更是表现出互相作用,互相依赖的复杂关系。生命体之间的相互作用关系十分复杂,现在一般都喜欢用食物链关系来说明它们。一些人盲目地崇拜弱肉强食,丛林法则等法则为生命体之间的普遍关系,甚至也包括人类社会的运转。其实生命体之间的关系远比食物链关系复杂得多。比如一种最低级的病毒就可能使得最顶端的人类即使使用最新的科学技术也无法应对。人体健康也十分依赖于肠道寄生的细菌。各种生命体互相之间的依赖关系可能比人类的认识要深刻得多。可以说整个地球生命体共同的自然界就是一个完整的全球性的生命体系统。所以生命体到底是什么样系统,目前也还处于研究探讨之中。但是人类对生命体的认识的确也与对整个宇宙的认识一样在不断的深入发展的过程中。

 

 




https://blog.sciencenet.cn/blog-39013-1361643.html

上一篇:对生命的感悟
下一篇:遇见病毒
收藏 IP: 112.0.225.*| 热度|

3 张学文 农绍庄 许培扬

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (3 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-2-8 03:03

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部