Открытые и закрытые системы в биологии

Дата публикации:

Содержание

1. Определения «открытой» и «закрытой» системы
2. Термодинамика живых систем
3. Почему живые организмы обычно рассматриваются как открытые системы
4. Случаи, когда организм можно считать закрытой системой

В биологии часто слышат фразу: «Все живые организмы – открытые системы»․ Однако в научных дискуссиях иногда задают вопрос
«Являются ли живые организмы закрытыми системами?» Ответ на него зависит от того, какие границы системы мы выбираем
и какие процессы учитываем․ В этой статье мы разберём основные понятия, приведём аргументы «за» и «против»,
а также покажем, в каких ситуациях можно говорить о «закрытости» живого организма․

Определения «открытой» и «закрытой» системы

В термодинамике и теории систем различают три базовых типа систем:

• Изолированная система – не обменивается ни энергией, ни веществом с окружающей средой․
• Закрытая система – может обмениваться энергией (теплом, светом), но не веществом․
• Открытая система – обменивается и энергией, и веществом․

В биологии под открытой системой обычно понимают организм, который получает пищу, кислород, свет,
воду и прочие вещества из внешней среды и выводит отходы, тепло и другие формы энергии․

Закрытая система в биологическом контексте – это условный эксперимент, в котором организм находится в герметичном
сосуде, но при этом может получать или отдавать энергию (например, свет от лампы)․ В таком случае обмен веществом
ограничен или полностью отсутствует․

Термодинамика живых систем

Согласно второму закону термодинамики, любой живой организм поддерживает низкоэнтропийное состояние
только за счёт притока энергии и/или вещества из внешней среды․ Без постоянного притока «сырья» система бы
пришла к равновесию и умерла․

Пример из предоставленного материала: «Энергия поглощается живыми организмами в одной форме (растениями – в виде
солнечного излучения, животными – в химических связях органических соединений), а выделяется в окружающую среду в другой
(тепловой)»․ Это типичный признак открытой системы․

Почему живые организмы обычно рассматриваются как открытые системы

Главные аргументы в пользу открытости:

1. Обмен веществ (метаболизм) – каждый организм поглощает пищу, кислород, воду и выводит CO₂, мочу, отходы․
2. Теплообмен – организм излучает тепло в окружающее пространство, а также может поглощать его (терморегуляция)․
3. Рост и развитие – построение новых тканей требует притока «строительных блоков» (аминокислот, нуклеотидов и др․)․
4. Самовосстановление – процессы репарации ДНК, замена изношенных клеток невозможны без внешних ресурсов․

В школьных учебниках биологии (10‑й класс) часто указывается: «Все живые организмы представляют собой открытые системы»․
Это утверждение отражает общепринятый подход к изучению метаболизма и экологии․

Случаи, когда организм можно считать закрытой системой

Несмотря на доминирующее представление о живых организмах как открытых системах, в некоторых ситуациях
их рассматривают как закрытые:

• Экспериментальные биореакторы – микробные культуры помещаются в герметичные сосуды, где подаётся только энергия (свет, тепло)․ Внутри система изолирована от внешних веществ․
• Искусственные экосистемы – «биосфера 2», закрытые экосистемы, где все необходимые ресурсы замкнуты в замкнутом контуре․ Здесь организм (растения, насекомые, микробы) получает всё необходимое из внутреннего «запаса»;
• Термины в физико‑химических моделях – при расчёте энергетического баланса иногда упрощают модель, считая организм закрытой системой, чтобы сосредоточиться только на тепловом потоке․

В этих случаях система действительно «закрыта» в отношении вещества, но остаётся открытой в отношении энергии․
Поэтому строго говоря, даже такие модели не соответствуют полному определению закрытой системы, а лишь приближаются к ней․

Ответ на вопрос: «Все живые организмы являются закрытыми системами – да или нет?» – нет․

Основные причины:

• Организмы постоянно обмениваются веществом (питательные вещества, кислород, продукты обмена) с окружающей средой․
• Для поддержания низкоэнтропийного состояния им необходим непрерывный приток энергии (свет, химическая энергия)․
• Только в специально сконструированных экспериментах возможно приближённое представление организма как закрытой системы, но это условный и временный подход․

Таким образом, в реальной природе живые организмы – открытые системы․ Понимание этого факта
важно для экологии, биотехнологий, медицины и любой науки, изучающей жизнь․

Краткое резюме

1. Открытая система – обмен энергией и веществом; закрытая – только энергией․
2. Метаболизм, рост, терморегуляция доказывают открытость живых организмов․
3. Закрытые модели применяются лишь в ограниченных лабораторных условиях․
4. Ответ: живые организмы не являются закрытыми системами․

Если у вас остались вопросы, оставляйте комментарии – будем обсуждать!