الأنظمة الحية

تُعدّ نظرية الأنظمة الحية لجيمس غرير ميلر نظريةً عامةً حول وجود جميع الأنظمة الحية، وبنيتها ، وتفاعلها ، وسلوكها، وتطورها ، وتهدف إلى صياغة مفهوم الحياة. ووفقًا لكتاب ميلر " الأنظمة الحية" الصادر عام 1978 ، يجب أن يحتوي هذا النظام على عشرين نظامًا فرعيًا "حرجًا" تُحدد وظائفها. يعتبر ميلر الأنظمة الحية نوعًا من أنواع الأنظمة . فعلى مستوى أدنى من الأنظمة الحية، يُعرّف ميلر المكان والزمان ، والمادة والطاقة ، والمعلومات والإنتروبيا ، ومستويات التنظيم ، والعوامل الفيزيائية والمفاهيمية، بينما يُعرّف الأنظمة فوقها الأنظمة البيئية، والكوكبية، والشمسية، والمجرات، وما إلى ذلك. [ 3 ^{] [ 4 ] [ 5 ] وتتمثل أطروحة} ميلر الأساسية في أن المستويات المتعددة للأنظمة الحية (الخلايا، والأعضاء، والكائنات الحية، والمجموعات، والمنظمات، والمجتمعات، والأنظمة فوق الوطنية) هي أنظمة مفتوحة تتكون من أنظمة فرعية حرجة ومترابطة، تعالج مدخلات ومخرجات الطاقة والمعلومات. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} يقول سيبانين (1998) إن ميلر طبّق نظرية الأنظمة العامة على نطاق واسع لوصف جميع جوانب الأنظمة الحية. ^{[ 9 ]} يذكر بيلي أن نظرية ميلر ربما تكون نظرية الأنظمة الاجتماعية "الأكثر تكاملاً"، ^{[ 10 ]} إذ تميّز بوضوح بين معالجة المادة والطاقة ومعالجة المعلومات، موضحةً كيف ترتبط الأنظمة الاجتماعية بالأنظمة البيولوجية. تحلل نظرية الأنظمة الحية (LST) حالات عدم الانتظام أو "الأمراض التنظيمية" في أداء الأنظمة (مثل إجهاد النظام وتوتره، وعدم انتظام التغذية الراجعة، وفرط المعلومات المدخلة). وتوضح دور الإنتروبيا في البحث الاجتماعي، بينما تساوي بين الإنتروبيا السالبة والمعلومات والنظام. وتؤكد على كل من البنية والعملية، بالإضافة إلى علاقاتهما المتبادلة. ^{[ 11 ]}

تُوجد فكرة أن الأرض كائن حي في الفلسفة والدين، لكن أول نقاش علمي لها كان على يد الجيولوجي الاسكتلندي جيمس هاتون . ففي عام 1785، صرّح بأن الأرض كائن حي فائق، وأن دراستها الصحيحة يجب أن تكون في علم وظائف الأعضاء . ^{[ 12 ] : 10} وتقترح فرضية غايا، التي طرحها جيمس لوفلوك في ستينيات القرن العشرين ، أن الحياة على الأرض تعمل ككائن حي واحد يُحدد ويحافظ على الظروف البيئية اللازمة لبقائه. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

ينظر منظور النظم إلى الحياة على أنه "تبادل تأثير" بين التدفقات البيئية والبيولوجية، ^{[ 15 ]} ويمكن القول إن العلاقة التبادلية مع البيئة لا تقل أهمية لفهم الحياة عن أهميتها لفهم النظم البيئية. وكما يوضح هارولد ج. مورويتز (1992)، فإن الحياة هي خاصية للنظام البيئي وليست كائنًا حيًا أو نوعًا واحدًا. ^{[ 16 ]} ويجادل بأن تعريف الحياة من منظور النظام البيئي أفضل من التعريف البيوكيميائي أو الفيزيائي البحت. ويسلط روبرت أولانوفيتش (2009) الضوء على التكافل باعتباره المفتاح لفهم السلوك النظامي المولد للنظام في الحياة والنظم البيئية. ^{[ 17 ]}

كرّس روبرت روزن جزءًا كبيرًا من حياته المهنية، بدءًا من عام 1958 ^{[ 18 ]} ، لتطوير نظرية شاملة للحياة باعتبارها نظامًا معقدًا ذاتي التنظيم، "مغلقًا أمام السببية الفعالة". عرّف روزن مكون النظام بأنه "وحدة تنظيمية؛ جزء ذو وظيفة، أي علاقة محددة بين الجزء والكل". وحدد "عدم قابلية تجزئة المكونات في الكائن الحي" باعتباره الفرق الجوهري بين الأنظمة الحية و"الآلات البيولوجية". وقد لخص آراءه في كتابه " الحياة نفسها " . ^{[ 19 ]}

علم الأحياء النظمي المعقد هو فرع من العلوم يدرس نشأة التعقيد في الكائنات الحية الوظيفية من منظور نظرية النظم الديناميكية . ^{[ 20 ]} ويُطلق على هذا الأخير أيضًا اسم علم الأحياء النظمي ، ويهدف إلى فهم الجوانب الأساسية للحياة. أما علم الأحياء العلائقي، وهو نهج وثيق الصلة، فيهتم بشكل رئيسي بفهم العمليات الحيوية من حيث أهم العلاقات، وفئات هذه العلاقات بين المكونات الوظيفية الأساسية للكائنات الحية؛ وبالنسبة للكائنات متعددة الخلايا، فقد عُرِّف هذا النهج بأنه "علم الأحياء الفئوي"، أو تمثيل نموذجي للكائنات الحية كنظرية فئوية للعلاقات البيولوجية، بالإضافة إلى طوبولوجيا جبرية للتنظيم الوظيفي للكائنات الحية من حيث شبكاتها الديناميكية والمعقدة من العمليات الأيضية والوراثية والوراثية اللاجينية ومسارات الإشارات . ^{[ 21 ] [ 22 ]} وتركز المناهج ذات الصلة على الترابط بين القيود، حيث يمكن أن تكون القيود جزيئية، مثل الإنزيمات، أو ماكروسكوبية، مثل هندسة العظام أو الجهاز الوعائي. ^{[ 23 ]}

جادل هاريس بيرنشتاين وزملاؤه عام 1983 بأن تطور النظام في الأنظمة الحية وبعض الأنظمة الفيزيائية يخضع لمبدأ أساسي مشترك يُعرف بالديناميكية الداروينية. وقد صيغ هذا المبدأ من خلال دراسة كيفية نشوء النظام الكلي في نظام بسيط غير بيولوجي بعيد عن حالة التوازن الديناميكي الحراري، ثم توسيع نطاق الدراسة ليشمل جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) القصيرة والمتضاعفة . وخلصت الدراسة إلى أن عملية توليد النظام الأساسية متشابهة في جوهرها لكلا النوعين من الأنظمة. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

تقترح نظرية المؤثرات لجيرارد جاغرز أن الحياة مصطلح عام يشير إلى وجود آليات الإغلاق النموذجية الموجودة في الكائنات الحية؛ وتتمثل هذه الآليات في غشاء ومجموعة تحفيز ذاتي في الخلية ^{[ 26 ].} ويُعرّف الكائن الحي بأنه أي نظام ذي تنظيم يتوافق مع نوع من آليات الإغلاق لا يقل تعقيدًا عن تعقيد الخلية. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} ويمكن نمذجة الحياة كشبكة من آليات التغذية الراجعة السلبية الأدنى ، الخاضعة لآلية تغذية راجعة إيجابية أعلى ، تتشكل بفعل إمكانية التوسع والتكاثر. ^{[ 31 ]}

يعرّف ستيوارت كوفمان النظام الحي بأنه كائن مستقل أو نظام متعدد الكائنات قادر على التكاثر الذاتي، وإكمال دورة عمل ديناميكية حرارية واحدة على الأقل . ^{[ 32 ]} ويتوسع هذا التعريف ليشمل تطور وظائف جديدة بمرور الوقت. ^{[ 33 ]}

عرّف بوديسا وكوبيشكين وشميدت الحياة الخلوية بأنها وحدة تنظيمية ترتكز على أربعة أركان أساسية: (1) الطاقة ، (2) الأيض ، (3) المعلومات، و(4) الشكل . هذا النظام قادر على تنظيم وضبط الأيض وإمداد الطاقة، ويحتوي على نظام فرعي واحد على الأقل يعمل كناقل للمعلومات ( المعلومات الوراثية ). الخلايا، كوحدات مكتفية ذاتيًا، هي جزء من مجموعات مختلفة تشارك في عملية أحادية الاتجاه وغير قابلة للعكس تُعرف بالتطور . ^{[ 34 ]}

تُعرّف نظرية القيود في الأنظمة الحية (نظرية C) الأنظمة الحية من حيث القيود الديناميكية الحرارية والمعلوماتية والبيئية والمعمارية الضرورية التي تُقيّد نطاق التنظيم الحي القابل للاستمرار. وهي نظرية شاملة للمستويات وليست مُنفصلة عنها: إذ تُناقش نفس فئات القيود عبر المستويات (الجزيئي ← الخلوي ← متعدد الخلايا ← الإدراكي ← النظم البيئية)، دون اعتبار أي مستوى منفرد (مثل الأيض فقط أو النظام البيئي فقط) الموضع المُفضّل لـ"الحياة". ^{[ 35 ] [ 36 ]}

يتمثل أحد المحاور الرئيسية في ضرورة تنفيذ "المنطق" (معالجة المعلومات والتحكم ^{[ 35 ]} ) فعليًا بواسطة "الدوائر الإلكترونية"، والتي تتحقق في علم الأحياء من خلال شبكات معقدة (التنظيم الجيني، والتمثيل الغذائي، والإشارات، والتواصل، والتنظيم الاجتماعي). وتُعامل هذه الشبكات كعوامل فاعلة للتغيير في التطور، وليست مجرد ركائز سلبية ^{[ 36 ]} .

السمات المميزة لنظرية C هي ^{[ 35 ] [ 37 ] [ 36 ]} :

• الاستقلالية عبر الحدود ووسائط الطاقة: تتطلب الاستقلالية الديناميكية الحرارية التجزئة (مثل الأغشية ) وتخزين/استخدام وسائط الطاقة ("العملات") لفصل العمل الداخلي عن الظروف البيئية المباشرة.
• الحفاظ على حالة عدم التوازن: تستمر الأنظمة الحية كحالات مستقرة غير متوازنة مدعومة بإنتاج الطاقة الحرة المستمر وتصدير الإنتروبيا .
• تنظيم التدفق الدوري: من المتوقع أن يتم تنظيم التنظيم الأيضي الداخلي حول التحولات الدورية / دورات التدفق.
• معلومات "الشريط" القابلة للتوريث: من المتوقع أن تكون البوليمرات غير المتجانسة الخطية ذات طاقة المونومر المتكافئة تقريبًا ركائز للمعلومات الجزيئية ومساحات البحث التوافقية الكبيرة.
• منطق البناء للتكاثر الذاتي: يتم افتراض أن الحجرات المغلقة المجهزة بمنطق تكرار يشبه فون نيومان (نسخ وتفسير الأوصاف) هي متطلبات للتكاثر الذاتي والتطور القابل للتطوير.
• المقايضات المعمارية: يُقال إن بنى الشبكات المتفرقة وغير المتجانسة والهرمية المعيارية تحظى بالأفضلية من خلال المقايضات بين الوظائف والتكاليف الطاقية للتكرار وتصحيح الأخطاء والصيانة؛ تدعم المعيارية والتسلسل الهرمي المتانة و"قابلية التطور".
• الظواهر الحاسمة في الظهور: يمكن وصف الخطوات الرئيسية في أصول الحياة وتنظيمها بأنها عتبات تشبه التشعبات/الانتقال الطوري (على سبيل المثال، عتبات الخطأ، عتبات الترشيح /الاتصال، بداية الدورات/التحفيز الذاتي، كسر التناظر مثل الكيرالية ).