Уровни организации живой материи

 

Все исследователи признают одно общее неотъемлемое свойство живого – системный характер, или системность. Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющий новые качества, не свойственные качествам элементов, входящим в систему.

Живой, целостной системе присущи следующие качества:

· множественность элементов,

· наличие связей между элементами и с окружающей средой,

· согласованная организация взаимоотношений элементов, как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.

Целостная система образуется лишь в результате соединения составных элементов в порядке, который сложился в процессе эволюции.

В биологии выделяют следующие уровни организации:

· Молекулярный, субклеточный и клеточный уровень: клетки содержат внутриклеточные структуры, которые строятся из молекул.

· Органно-тканевой и организменный уровень: у многоклеточных организмов клетки составляют ткани и органы. Органы же, в свою очередь, взаимодействуют в рамках целого организма.

· Популяционный уровень: особи одного и того же вида, обитающие на части ареала, образуют популяцию.

· Видовой уровень: свободно скрещивающиеся друг с другом особи обладающие морфологическим, физиологическим, биохимическим сходством и занимающие определённый ареал (район распространения) формируют биологический вид.

· Биогеоценотический и биосферный уровень: на однородном участке земной поверхности складываются биогеоценозы, которые, в свою очередь, образуют биосферу.

 

Молекулярный уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, стероидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул. Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми маленькими биологическими молекулами являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами. Например, диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6.5 нм. Физико-химическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по составу и функциям. Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. В состав большинства белков входит 100-500 аминокислот, но последовательности аминокислот в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными. Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные структуры, примерами которых являются нуклепротеиды (комплексы нуклеиновых кислот и белков), липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков). Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают другие биологические молекулы. Биологические молекулы обеспечивают преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), так как являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Клетка — основная структурная и функциональ­ная единица всех живых организмов. Представ­ляет собой сложноорганизованную систему из биологических полимеров (в том числе нукле­иновые кислоты, простые и сложные белки) и других соединений, способную к самоподдержа­нию и самовоспроизведению. Клетка может сущест­вовать как отдельный одноклеточный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных растительных и животных организмов. К не­клеточным формам жизни принадлежат только вирусы.

Каждая клетка имеет клеточную или цитоплазматическую мембрану, отделяющую её от ок­ружающей среды, цитоплазму с погружёнными в неё внутриклеточными образованиями - органеллами, и генетический аппарат, контроли­рующий все процессы жизнедеятельности клетки. В зависимости от организации генетического аппарата и структуры клетки все организмы делят на прокариот (к ним относятся бактерии и ар-хебактерии) и эукариот (все остальные орга­низмы).

Прокариотические клетки не имеют выра­женного ядра - их генетический материал в виде кольцевой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) не обособлен мембраной и находится непосредственно в цитоплазме. Они значительно беднее эукариотических клеток по со­ставу органелл. Размеры их в среднем состав­ляют 0,5-5 мкм. Форма этих клеток весьма разно­образна: палочки, спирали, сферы (кокки) и т. д.

Эукариотические клетки крупнее (длина в среднем составляет 10-100 мкм, а объём в 1000-10 000 раз больше, чем у прокариот) и имеют более сложную организацию. Их генети­ческий материал организован более сложно и отграничен от цитоплазмы ядерной оболочкой, или мембраной. Таким образом, у них имеется оформленное клеточное ядро. В цитоплазме при­сутствует много других разнообразных по струк­туре и функциям органелл, в том числе ми­тохондрии, вакуоли, пластиды, эндоплазмати­ческая сеть, Голъджи аппарат. Цитоплазму многих клеток пронизывает сеть белковых нитей, образующих опорно-двигательную систему клеток - цитоскелет. Несмотря на сложную организа­цию и пространственную разобщённость различ­ных клеточных структур, все они существуют как единое целое. Многообразные биохимиче­ские реакции, одновременно протекающие в клетке, тесно скоординированы между собой благодаря наличию системы регуляторных механизмов.

Различают также половые и соматические клетки. Половые клетки (гаметы) обеспечивают передачу наследственной информации от родителей по­томкам. Соматические клетки - все остальные клетки орга­низма. Жизнь клетки от од­ного деления до другого называется клеточным циклом. У многоклеточных эукариот, несмотря на сходство в строении внутриклеточных струк­тур, клетки могут сильно различаться по форме, размеру и функциям.

Жизненно важные функции можно разбить на четыре категории: подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение.

Подвижность проявляется в различных формах: 1) внутриклеточная циркуляция содержимого клетки; 2) перетекание, обеспечивающее перемещение клеток (например, клеток крови); 3) биение крошечных протоплазматических выростов — ресничек и жгутиков; 4) сократимость, наиболее развитая у мышечных клеток.

Раздражимость выражается в способности клеток воспринимать стимул и реагировать на него импульсом, или волной возбуждения. Эта активность выражена в наивысшей степени у нервных клеток. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, протекающие в клетках. Размножение обеспечивается способностью клетки к делению и образованию дочерних клеток. Именно способность воспроизводить самих себя и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого. Однако многие высокодифференцированные клетки эту способность утратили.

В органах и тканях связь между клетками осуществляется за счёт специальных межкле­точных контактов - участков плазматической мембраны или клеточной стенки. К числу та­ких контактов относятся плазмодесмы (у растений) и десмосомы (у животных).

Наука о клетке - цитология. Для изучения клеток ис­пользуют различные виды микроскопов (от све­тового до электронного и сканирующего), куль­тивирование клеток, различные методы клеточной инженерии, а также многочисленные методы биохимии, био­физики, молекулярной биологии.

Разнообразие животных и растительных клеток:

1 — клетки почки лягушки, видны митохондрии; 2 — чувствительная клетка спинномозгового нервного узла человека, виден комплекс Гольджи; 3 — мегакариоцит из костного мозга человека; 4 — жировая клетка из подкожной клетчатки крысы; 5 — клетки поджелудочной железы человека, видны комплекс Гольджи и секреторные гранулы; 6 — нейтрофильный лейкоцит человека; 7 — гладкая мышечная клетка кишечника человека; 8 — тучные клетки в рыхлой соединительной ткани крысы; 9 — эритроциты человека; 10 — эритроциты верблюда; 11 — малая и большая пирамидальные клетки коры головного мозга человека; 12 — эритроциты курицы; 13 — клетка волоска тычиночной нити традесканции; 14 — клетки листа элодеи; 15 — клетка плода ландыша; 16 — эритроциты свиньи.

Вид - основная структурная единица в систе­ме живых организмов; главная таксономиче­ская категория в биологической систематике. Заложивший основы систематики животных и растений шведский биолог К. Линней в своём труде «Система природы» (1735 г.) объединил виды в роды, отряды и классы. Для обозначе­ния вида он ввёл двойную, или бинарную, номен­клатуру. К концу 19 в. был накоплен большой материал по внутривидовой географической из­менчивости вида и введено понятие подвида. В первой половине 20 в. сложилось современное представление о виде.

Однако строгое общепринятое определение вид ещё не разработано; обычно под видом понимает­ся совокупность относительно изолированных групп (популяций) особей, обладающих сходны­ми морфологическими, физиологическими, био­химическими и поведенческими признаками и характером взаимоотношений с различными факторами внешней среды, способных к скре­щиванию с образованием плодовитого потомст­ва, имеющих определённую область распрост­ранения (ареал). Таким образом, основными конкретными положениями (критериями), по­зволяющими отличать один вид от другого, яв­ляются: морфологический (один из са­мых важных) - сходство внешнего строения особей; физиологический - сходство всех процессов жизнедеятельности и функций у осо­бей одного вида; биохимический - сходное строение химических структур организма (в том числе белков и нуклеиновых кислот); эколого-географический - включает как об­ласть распространения (ареал обитания, его раз­меры, особенности), так и совокупность всех факторов среды, воздействующих на вид, его экологическую нишу.

К важнейшим современным критериям вида от­носится репродуктивная изоляция. Вид характеризуется генетическим единством и су­ществует как сформировавшаяся в ходе эволю­ции единая генетическая система. Генофонд вида благодаря действию разнообразных механизмов защищён от проникновения генов из генофондов других видов. Таким образом, отсутствие обмена ге­нами между экологически взаимодействующими популяциями свидетельствует об их принадлеж­ности к разным видам. В то же время некоторые виды, абсолютно изолированные в природе, в ис­кусственных условиях могут эффективно скре­щиваться с другими видами.

Каждого из вышеназванных критериев недо­статочно для описания В. Например, существуют В., почти не различающиеся по морфологиче­ским признакам (виды-двойники), или В. с прак­тически совпадающими ареалами. Поэтому толь­ко совокупность всех критериев позволяет ус­тановить видовую принадлежность организма.

В настоящее время описано более 1,2 (до 1,5) млн. В. животных и более 300 (350— 500) тыс. В. растений, обитающих на нашей планете. Ежегодно описываются сотни и тысячи новых В. организмов. В ходе эволюции одни В. исчезали, другие появлялись. Процесс видо­образования - основной и важнейший этап эво­люции живых организмов на Земле.

Популяция(от лат. «популос» - народ, на­селение) - группа особей одного вида, занимаю­щих в течение длительного времени общую тер­риторию. Все биологические виды существуют в виде популяций. Организмы, входящие в состав одной популяции, свободно скрещиваются между собой и фор­мируют общий генофонд популяции, в который вносит вклад каждое поколение особей разного гено­типа.

Популяции характеризуются общей чис­ленностью входящих в неё особей, плотностью (количеством особей на единицу площади), осо­бенностями распространения особей на занима­емой популяцией территории и их структурой. Структура популяции определяется соотношением особей разного пола, возраста и размера, различиями генотипов и т. д. Соответственно выделяют возрастную, по­ловую, размерную, генетическую и другие струк­туры популяции. Взаимодействие организмов в популяции при­водит к тому, что у неё появляются собственные свойства, отличные от свойств отдельной особи. Природная популяция представляет собой некое един­ство. Популяции организмов разных видов, сосуществу­ющих на одной и той же территории, образуют в своей совокупности сообщество, или биоценоз.

Любая популяция при наличии благопри­ятных условий для жизни её членов способна к неограниченному росту их численности, но в силу ограниченности природных ресурсов, на­личия неблагоприятных факторов во внешней среде (недостаток пищи, изменение климата, на­личие врагов и т. д.) такой рост становится не­возможным. У большинства видов животных и растений численность популяции более или менее по­стоянна, но в ряде случаев она бывает подвер­жена значительным колебаниям, которые ино­гда носят регулярный характер (как у полёвок, леммингов, некоторых насекомых). Часто вспыш­ки численности могут сопровождаться мигра­циями животных (например, перелётные виды саранчи и многие копытные, осваивающие но­вые территории в поисках корма).

Популяцию рассматривают как элементарную единицу процесса эволюции, способную реагировать на изменение среды перестройкой своего генофон­да. Две популяции организмов одного и того же вида будучи отделёнными друг от друга трудно пре­одолимым барьером (горным хребтом, широким озером) могут дать начало двум новым видам. Понятие «популяция» является одним из централь­ных в биологии, а генетические, экологические и эволюционные подходы к изучению популяции часто объединяют в особое направление – популяционную биологию. Без изучения популяций не­возможно принятие мер по защите растений, рациональному использованию биологических ресурсов и охране природы. Термин «популяция» упот­ребляется также по отношению к однородным по определённому признаку группам клеток (клеточная П.), например, по их способности к обновлению, и к размножающимся делением клеткам бактерий, представляющим собой группу клонов - прямых потомков одной клетки.

Биоценоз (от био... и греч. «койнос» - об­щий) - сообщество растений, грибов, животных и микроорганизмов, совместно населяющих оп­ределённый участок суши или водоёма; состав­ная часть биогеоценоза (экосистемы). Биоценоз доволь­но устойчивое образование, обладающее способ­ностью к самоподдержанию и сохранению ви­дового состава в постоянно меняющихся внеш­них условиях и упорядоченностью структуры.

В любой биоценоз обязательно входят: организмы, способные создавать органическое вещество из неорганического за счёт солнечной энергии (главным образом зелёные растения) или за счёт энергии, полученной в процессе окисления некоторых неорганических химических соеди­нений (хемосинтезирующие микроорганизмы); такие организмы (с автотрофным типом пита­ния) называются продуцентами, или про­изводителями. Среди остальных членов сообще­ства имеются консументы (потребители) - организмы-гетеротрофы, питающиеся готовым органическим веществом (животные, грибы, не­которые микроорганизмы), и редуценты (вос­становители) - животные, питающиеся разлагающимися остатками организмов (сапрофаги), немногие растения-паразиты и водоросли (сапрофиты) и непаразитирующие гетеротрофные микроорганизмы. Редуценты способствуют ми­нерализации органического вещества, его пере­ходу в соединения, которые могут усваиваться продуцентами.

Термин «биоценоз» предложен в 1877 г. немецким биологом К. Мёбиусом, изучавшим комплексы донных животных, обитающих в сплошных мно­гослойных поселениях устриц - устричных бан­ках. Он подчёркивал взаимосвязь всех компо­нентов биоценоза, их зависимость от одних и тех же факторов среды обитания. Совокупность расте­ний, входящих в биоценоз, называют фитоцено­зом, совокупность животных — зооценозом. Примером биоценоза, может служить сообщество всех живых организмов участка леса, ручья или пру­да.

В составе биоценоза нередко выделяются «центры при­тяжения» - вид или группа видов, наиболее многочисленные и определяющие продуктив­ность всего сообщества: в дубраве это дуб, на устричных банках - устрицы. Большое значение для поддержания структуры биоценоза имеют внутривидовая и особенно межвидовая конкуренция.

Различают первичные биоценозы, сложившиеся без воздействия человека (девственный лес, целин­ная степь), и вторичные, изменённые дея­тельностью человека (например, леса, выросшие на месте сведённых). Особую категорию пред­ставляют сообщества, созданные и регулируемые человеком, - агробиоценозы (совокупность организмов, обитающих на землях сельскохо­зяйственного пользования, занятых посевами или посадками культурных растений). Природная территория, занимаемая со­обществом биоценоз, называется биотопом.

Биогеоценоз (от био..., греч. «ге» - Земля и «койнос» - общий) - совокупность живых и неживых компонентов природы, взаимосвязан­ных между собой путём обмена веществом и энергией в пределах однородного участка земной поверхности; элементарная структурная едини­ца биосферы. К живым компонентам биогеоценоза отно­сятся растения, грибы, животные и микроорганизмы, в совокупности составляющие биоценоз. Среда обитания, включающая приземный слой атмосферы, солнечную энергию, все химические элементы, вовлекаемые в биогеохимические циклы (круговороты), почву, водоёмы и др., относится к неживым компонентам. Термин «биогеоценоз» предложен российским учёным В. Н. Су­качёвым в 1940 г.

Роль отдельных компонентов биогеоценоза неравнознач­на и специфична. Необходимым условием суще­ствования биогеоценоза является постоянный приток сол­нечной энергии. Особое значение в структуре и функционировании биогеоценоза имеют зелёные растения. Они производят основную массу первичного ор­ганического вещества, энергию которого исполь­зуют сами растения и все гетеротрофные орга­низмы (животные, грибы, некоторые микроор­ганизмы), которым она передаётся по цепям питания от одного трофического уровня к дру­гому. Путём фотосинтеза и дыхания зелёные растения под­держивают баланс кислорода и углекислого газа в атмосфере, благодаря транспирации участвуют в круговороте воды, в перераспределении и ми­грации химических элементов почвы. Сообще­ства зелёных растений (фитоценозы) определяют облик биогеоценоза, его пространственные границы.

Биогеоценоз - динамическая система, в ходе развития которой происходит накопление массы живого вещества и усложнение структуры. Вместе с тем биогеоценозу присуща определённая устойчивость во вре­мени, являющаяся результатом длительного приспособления живых и неживых компонентов друг к другу. В совокупности биогеоценозы Земли образуют биогеоценотический покров, то есть всю био­сферу..

Термин «биогеоценоз» получил распространение глав­ным образом в отечественной литературе. За ру­бежом, особенно в англоязычных странах, в ана­логичном значении чаще используют термин «экосистема», хотя последний более многозна­чен и употребляется также по отношению к ис­кусственно созданным сообществам организмов (аквариум, космический корабль) и к отдельным частям биогеоценоза (например, гниющий пень в лесу со всеми населяющими его организмами).

Биосфера(от био... и греч. «сфера» - шар) - высокоорганизованная оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Первые представления о биосфере как области «жизни» и наружной оболочке Земли в начале 19 в. были изложены французским зоологом Ж. Б. Ламарком. Термин «биосфера» ввёл австрийский геолог Э. Зюсс (1875 г.), определивший её как тонкую плёнку жизни на земной поверхности, в зна­чительной мере определяющую «лик Земли». Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит российскому ученому В.И. Вернадскому, понимающему ее значительно шире и глубже. Границы биосферы условны, но в целом верхнюю границу биосферы в атмосфере про­водят на высоте 20-25 км, т. е. на высоте озонового слоя; нижнюю границу биосферы опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана. Ученый считал, что самой существенной особен­ностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, ро­сте и размножении организмов. В. И. Вернадский отме­чал, что вещество биосферы состоит из 7 разнородных частей, среди которых выделяют биогенное вещество — уголь, нефть, известняки, косное вещество - всё то, в со­здании чего живые организмы не принимали участия, и биокосное вещество — образовано одновременно косными процессами и живыми организмами (почва). Особая роль в развитии биосферы в XX в., по В. И. Вернадскому, при­надлежит человеку, преобразующему «Лик Земли». В 1944 г. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу, то есть в такое ее состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека.