Примерное время на чтение статьи: 46 минуты

МНОГООБРАЗИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

Современная биология – комплексная система знаний, включающая в себя большое количество самостоятельных биологических наук. Познание жизни на различных уровнях ее организации, изучение различных свойств организмов и объектов живого, а также разнообразие используемых методов исследования позволяют выделить большое количество биологических дисциплин: молекулярную биологию, цитологию, гистологию, анатомию, физиологию, зоологию, ботанику и др. единые закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, составляют предмет общей биологии.

Система – это устойчивая совокупность элементов, объединенная взаимными связями: вещественными, энергетическими, информационными.

Биологическая система – это естественная, открытая, авторегуляторная система, способная к упорядочиванию за счет термодинамической неравновесности среды.

Биологическая система — биологические объекты различной сложности (клетки и ткани, органы, системы органов и организмы, биоценозы и экосистемы, вплоть до био­сферы в целом), имеющие, как правило, несколько уровней структурно-функциональной организации. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, биологические системы обладают свойствами це­лостности, относительной устойчивостью, а также способностью к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволю­ции.

Любая биологическая система является динамической— в ней постоянно протекает множество про­цессов, часто сильно различающихся во времени. В то же время это открытые системы, условием существования которых служит обмен энергией, веществом и ин­формацией как между частями системы (или подсистемами), так и с окружающей средой. Важнейшая особенность биосистем заключается в том, что такой обмен осу­ществляется под контролем специальных меха­низмов реализации генетической информации и внутреннего управления, к-рые позволяют из­бежать «термодинамической смерти» пу­тём использования энергии, извлекаемой из внешней среды. Устойчивость стационар­ных состояний биосистем (сохранение постоян­ства внутренних характеристик на фоне неста­бильной или изменяющейся внешней сре­ды), а также способность их к переходу из одного состояния в другое (свойство неустойчивости стационарных состояний биосистем) обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции.

Биологические системы возникли на Земле при определенных условиях и являются одной из форм существования материи. Первые живые существа появились на нашей планете более 3,6—3,8 млрд лет назад. От этих ранних форм образовалось множество видов организмов. В ходе длительного эволюционного процесса на Земле возникло около 30 тыс. видов простейших, 2,5 млн ви-дов животных, более 600 тыс. видов растений, более 100 тыс. видов грибов и множество микроорганизмов. Их классификацией — объединением в группы по сходству строения и жизнедеятельности — занимается биологическая дисциплина, называемая систематикой. В настоящее время ученые выделяют неклеточные и клеточные формы жизни.

ОРГАНИЗАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Система – совокупность компонентов, которые при взаимодействии друг с другом образуют единое целое.
Системы бывают живые(биологические) и неживые (химические, физические).
На примере организма человека рассмотрим основные принципы организации живых систем.

1. Открытость – идет обмен с окружающей средой и веществом (мы поглощаем вещества с пищей, а также выделяем конечные продукты метаболизма в окружающую среду), и энергией (например, при физической работе часть нашей энергии рассеивается в виде тепла; в химических связях органических веществ, которые мы поглощаем с пищей, содержится энергия).

2.Система состоит из более мелких частей, и имеет определенную структуру (организм состоит из органов и систем органов)
3.Все компоненты системы взаимодействуют между собой и образуют единое целое (органы и системы органов образуют целостный организм) .

4.Высокая упорядоченность.
5.Иерархичность – взаимная соподчиненность компонентов системы, какой-то компонент системы контролирует и регулирует работу других компонентов, он выполняет роль «начальника», а другие компоненты выполняют его команды, они в роли «подчиненных» (например, гипоталамо-гипофизарная система)

6.Оптимальность конструкции – сохраняются самые удобные и удачные сочетания компонентов (например, огромная молекула ДНК при помощи белков-гистонов структурируется, и таким образом наследственная информация хранится в виде компактных хромосом)

7.Управляемость – переход из одного состояния в другое (например, переход из состояния сна в состояние бодрствования)

ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИЗНИ.

Жизнь с точки зрения физики и химии.

Жизнь можно рассматривать как совокупность специфических физико-химических процессов с точки зрения физики и химии, хотя существует распространённое заблуждение, что существование жизни противоречит второму началу термодинамики. Одна из трактовок второго начала гласит, что энтропия (мера неупорядоченности, или мера хаоса) в изолированной системе не может убывать: в такой системе энтропия при любом реальном процессе возрастает или остаётся неизменной в состоянии термодинамического равновесия. Иными словами, наведение и поддержание порядка в замкнутой системе невозможно без затрат энергии.

Энтропия — это мера неупорядоченности системы

Живые системы не являются замкнутыми (изолированными), они находятся в постоянном обмене веществом и энергией с окружающим миром. А при затрате энергии возможно повышение степени упорядоченности системы. Это понятно каждому: если не заниматься уборкой в комнате, то очень скоро в ней воцарится хаос. Чтобы навести поря-док, придётся затратить энергию. Точно так же и в живых системах — они обязательно имеют внешние источники энергии. Для растений это свет Солнца, для животных — биомасса растений, других животных и иной пищи. Благодаря этому живые системы могут уменьшать свою энтропию, создавая порядок из хаоса и поддерживая его.

Определения термина «жизнь».

В настоящее время определения понятия «жизнь», данное Фридрихом Энгельсом в 1874, устарело, поскольку стало известно, что живые системы состоят не только из белков:

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка.»

В 1965 г. российский биофизик М. В. Волькенштейн дал другое определение жизни. «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.»

В биологическом энциклопедическом словаре определение жизни сформулировано так: » Жизнь — это активное, то есть идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической молекуляр-ной структуры. 

Современное определение: «Жизнь — это форма существования саморегулирующихся самовоспроизводящихся ма-кромолекулярных систем, характеризующихся иерархической организацией, обменом веществ, регулируемым по-током информации и энергии.»

Формы жизни.

• Неклеточные формы жизни — вирусы;
• Клеточные формы жизни включают:
  • Надцарство Прокариоты:
    • Царство Архебактерии,
    • Царство Истинные бактерии (Эубактерии);
  • — Надцарство Эукариоты:
    • Царство Грибы,
    • Царство Растения,
    • Царство Животные.

В отличие от неживой природы жизнь представляет собой особую форму существования материи — биологическую.  Всем живым организмам присущи определенные свойства, которые также называют критериями живых систем.

СВОЙСТВА ЖИВЫХ СИСТЕМ.

Особенности химического состава. Живые существа состоят из тех же атомов, что и неживая природа, однако эти элементы образуют в организме сложные молекулы, не встречающиеся в неживой природе. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Эти элементы участвуют в образовании  сложных органических молекул. Подавляющее большинство органических молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеятельности организмов.

Для каждого живого организма характерно самообновление, которое связано с постоянным обменом веществ и энергии, и в основе которого лежит особенность хранить и использовать биологическую информацию в виде уникальных информационных молекул: белков и нуклеиновых кислот.

1. самовоспроизведение. Обеспечивает преемственность между сменяющимися генерациями биологических систем.
2. саморегуляция. Базируется на совокупности потоков вещества, энергии и информации через живой организм;
3. раздражимость. Связана с передачей информации извне в любую биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель.
4. поддержание гомеостаза  — относительного динамического постоянства внутренней среды организма, физико-химических параметров существования системы;
5. структурная организация — определенная упорядоченность, стройность живой системы. Обнаруживается при исследова-нии не только отдельных живых организмом, но и их совокупностей в связи с окружающей средой — биогеоценозов;
6. адаптация — способность живого организма постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям существования в окружающей среде. В ее основе лежат раздражимость и характерные для нее адекватные ответные реакции;
7. репродукция (воспроизведение). Так как жизнь существует в виде отдельных (дискретных) живых системы (например, клеток), а существование каждой такой системы строго ограничено во времени, поддержание жизни на Земле связано с репродук-цией живых систем. На молекулярном уровне воспроизведение осуществляется благодаря матричному синтезу, новые моле-кулы образуются по программе, заложенной в структуре (матрице) ранее существовавших молекул;
8. наследственность. Обеспечивает преемственность между поколениями организмов (на основе потоков информации). Тесно связана с ауторепродукцией жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, которые обеспечивают приспособление к среде обитания;
9. изменчивость — свойство, противоположное наследственности. За счет изменчивости живая система приобретает признаки, ранее ей несвойственные. В первую очередь изменчивость связана с ошибками при репродукции: изменения в структуре нуклеиновых кислот приводят к появлению новой наследственной информации. Появляются новые признаки и свойства. Если они полезны для организма в данной среде обитания, то они подхватываются и закрепляются естественным отбором. Создаются новые формы и виды. Таким образом, изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции;
10. индивидуальное развитие (процесс онтогенеза) — воплощение исходной генетической информации, заложенной в структуре молекул ДНК (т. е. в генотипе), в рабочие структуры организма. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способ-ность к росту, что выражается в увеличении массы тела и его размеров. Этот процесс базируется на репродукции молекул, размножении, росте и дифференцировке клеток и других структур и др.;
11. филогенетическое развитие (закономерности его установлены Ч. Р. Дарвином). Базируется на прогрессивном размножении, наследственности, борьбе за существование и отборе.
12. дискретность (прерывистость) и в то же время целостность. Жизнь представлена совокупностью отдельных организмов, или особей. Каждый организм, в свою очередь, также дискретен, поскольку состоит из совокупности органов, тканей и клеток. Каждая клетка состоит из органелл, но в то же время автономна. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один ген в отдельности не может определять развитие того или иного признака.

ИЕРАРХИЧНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ.

Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время любой компонент биологической системы дискретен и целостен, т.е. состоит из отдельных, тесно связанных взаимодействующих частей, образующих структурно-функциональное единство.

Структурная сложность живого начинается с гигантских полимерных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ. Основные свойства живого проявляются на каждом уровне организации, причем их осуществление на менее сложном уровне организации является необходимой посылкой функционирования процессов на более высокоорганизованном уровне (например, самовоспроизведение на уровне многоклеточного организма невозможно без репликации молекул ДНК, деления клеток и т.д.). Взаимосвязь нижележащих и вышележащих уровней организации живого отражает иерархичность (соподчиненность) организации живого и лежит в основе биологической формы движения материи. Биологические системы образуются из объединения множества компонентов в более крупные структурно-функциональные единицы, обладающие новыми свойствами, не встречающимися по отдельности у входящих в них составных частей. Например, такие свойства популяции (элементарной надорганизменной общности), как длительное в течение многих поколений существование в среде, генофонд, возрастной и половой состав, рождаемость, смертность и др., отсутствуют у отдельных составляющих их особей.

Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов неживой природы не только своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью, но и сущностью протекающих в них процессов. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи.

Если полицентрически смотреть на жизнь, то иерархия это взаимоотношение в ряду: подсистема – система – надсис-тема. Одно состоит из другого. Но при этом каждая система уникальна, по отношению со свойствами слагающих ее элементов, что отражает принцип эмерджентности– наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не объединенных системообразующими связями. Эти качественно новые свойства, определяемые наличием связей – системные свойства. (например свойства воды Н₂О обусловлены не свойствами Н₂ и О₂, слагающими ее, а их связями.) связи между элементами порождают уникальность свойств.

Целое всегда имеет особые свойства, отсутствующие у его частей. Методологические следствия: Целое невозможно изучить только на основе информации о ее элементах. Для изучения целой системы необязательно обладать информацией о всех элементах. Получить адекватные результаты поведения системы можно, изучая данную систему только в целом.

Принцип аналогичности: биологические системы разного уровня организации принципиально аналогичны относительно проявления общебиологических закономерностей, т.е. можно изучать экосистему по к-л организму, если читать, что организм- это экосистема. В этом случае происходит так называемое перемежение понятий: ткань – популяция клеток, организм – сообщество популяций клеток.

Принцип множественности. Каждая система состоит из множества элементов. И для достижения стабильности и надежности системы необходимо чтобы было больше элементов – чем множественнее и разнообразнее жизнь тем она надежнее и стабильнее и жизнь сама стремится быть стабильнее за счет разнообразия.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ.

Живая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему. На основании особенностей проявления свойств живого все многообразие органического мира — единой биологической системы — можно свести к нескольким структурным уровням, располагаемым в порядке от низшего к высшему. Каждый уровень характеризуют наиболее значимые биологические явления, протека-ющие на данном уровне.

Молекулярно-генетический уровень. 

Живая система состоит из нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и прев-ращение энергии, передача наследственной информации и др. Элементарные генетические процессы (репликация ДНК, транскрипция, репарация, рекомбинации, мутации ДНК, трансляция РНК и др.), начинающиеся на этом уровне, лежат в основе развития и жизни организма, обеспечивают его адаптации к среде.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: биохимия — наука о химическом составе живых клеток и организмов, а также о лежащих в основе их жизнедеятельнос-ти химических процессах; биофизика — это наука, которая изучает физические и физико-химические процессы, протекающие в живых организ-мах; молекулярная биология — это наука, которая изучает молекулярные основы жизнедеятельности организмов; молекулярная генетика — направление молекулярной биологии, связанное с исследованием воспроизведения и из-менчивости генетического материала, его репарации (восстановления после первичных повреждений или превра-щения их в мутации — стойкие наследуемые изменения), рекомбинации генов и экспрессии генетической инфор-мации посредством транскрипции и трансляции, регуляции этих процессов в клетке и при индивидуальном раз-витии.

Клеточный уровень.

Элементарные единицы живого (клетки) осуществляют реакции клеточного метаболизма, перенос генетической информации между клеточными поколениями, дифференцируются и специализируются на выполнении разнообраз-ных функций. В клетках сосредоточена информация о синтезе веществ, определяющих специфику проявлений жизни и обеспечивающих функционирование систем всех уровней. Способность клеток к делению лежит в основе воспроиз-водства живых систем. Клеточные системы — ткани и органы обеспечивают тканевые реакции в виде регенерации, иммунного ответа, воспаления и др.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: цитология — это наука о клетке; гистология — это наука о тканях живого организма: их развитии, строении и особенностях жизнедеятельности; кариология — раздел цитологии, который изучает строение и функции ядра клетки (как в целом, так и его структур: хромосом, ядерной оболочки, ядрышка и т. д.), она использует методы микроскопии (оптической и электронной), цитохимии, изотопных индикаторов и др.; цитохимия — это направление гистохимии, которое изучает химическую природу клеточных структур, распределение химических соединений внутри клетки и их превращения в связи с функцией клетки и её отдельных компонентов; гистохимия — раздел гистологии (гистопатологии), изучающий химические свойства тканей; цитофизиология — это направление в цитологии, которое изучает жизнедеятельность клетки как единой живой системы и отдельных её внутриклеточных структур, а также взаимоотношения между ними; цитогенетика — это раздел генетики, который изучает цитологические основы наследственности и изменчивости; общая физиология — описывает общие проявления жизнедеятельности: обмен веществ, механизмы регуляции, свойства биологических мембран и отдельных клеток; вирусология — это раздел микробиологии, который изучает вирусы, их морфологию, физиологию, генетику, а также эволюцию вирусов и вопросы экологии; микробиология — наука о малых существах, называемых микроорганизмами. Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохимию, систематику, генетику и экологию микроорганизмов, их роль и значение в круговороте веществ, в экономике, в патологии человека, животных и растений.

Тканевый уровень.

В многоклеточном организме клетки объединяются в группы — ткани, которые участвуют в формировании орга-нов. Ткань животных представляет собой совокупность клеток различных типов и межклеточного вещества, объе-диненных выполнением общих функций. Например, кровь включает в себя клеточные элементы — эритроциты, лей-коциты и тромбоциты, а межклеточным веществом служит плазма.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: гистология — это наука о тканях живого организма: их развитии, строении и особенностях жизнедеятельности; частная физиология — исследует свойства отдельных тканей (мышечная, нервная, железистая, соединительная).

Органный уровень.

Любой орган живого организма образован несколькими типами тканей. Он занимает соответствующее место в организме и выполняет целый ряд определенных функций. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань — дерму, которые вместе выполняют целый ряд функций.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: частная физиология — исследует свойства отдельных органов (сердце, печень и других); ботаника — это наука, которая занимается изучением растений; зоология — это наука, которая занимается изучением животных; анатомия —  раздел биологии, изучающий строение тела, организма и их частей на уровне выше тканевого. Анатомия как наука изучает не только внешнее строение организма в целом, но и внутреннюю форму и структуру органов, вхо-дящих в его состав. 

Системный уровень.

В любом живом организме органы объединяются в системы органов (сердечно-сосудистую, мочеполовую, пищеварительную, дыхательную и др.).

Науки, ведущие исследования на этом уровне: частная физиология — исследует свойства систем (кровообращения, дыхания, пищеварения); анатомия; физиология. 

Онтогенетический (организменный) уровень. 

Характеризуется развитием организма на основе генетической информации, полученной от родителей, способного к самостоятельному существованию в среде. Особь является элементарной самостоятельной единицей, способной к обмену веществ с окружающей средой.    

Науки, ведущие исследования на этом уровне: анатомия; биология развития — раздел современной биологии, изучающий процессы индивидуального развития (онтогенеза)  организма; аутэкология — это раздел экологии, который изучает взаимодействие отдельных организмов с экологическими факторами окружающей среды; генетика — наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости организмов; гигиена — это наука, которая изучает закономерности влияния факторов окружающей среды и производственной деятельности на организм человека, его работоспособность, продолжительность жизни; морфология — это раздел биологии, который изучает форму и строение организмов и их специфические структурные особенности; прикладная физиология — изучает закономерности проявлений деятельности организма человека в связи с его трудо-вой или особой деятельностью (авиационная, космическая физиология) или в связи с пребыванием в особых клима-тических условиях. физиология нормальная — изучает проявления жизнедеятельности организма здорового человека; физиология патологическая — изучает проявления жизнедеятельности организма больного человека, закономернос-ти возникновения, течения и исходов заболеваний, разрабатывает методы экспериментальной терапии.

Популяционно-видовой уровень.

Популяционно-видовой уровень образуют особи одного вида. Объединение особей в популяции, а популяций в виды по степени генетического и экологического единства приводит к появлению новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней. Обмен генетической информацией в процессе воспроизводства последующих поколений лежит в основе микроэволюции — возникновения адаптаций и формирования новых видов. Популяции и виды как надорганизменные образования способны к существо-ванию в течение многих поколений и к самостоятельному эволюционному развитию.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: генетика популяций — или популяционная генетика — раздел генетики, изучающий распределение частот аллелей и их изменение под влиянием движущих сил эволюции: мутагенеза, естественного отбора, дрейфа генов и потока генов; эволюция — наука о причинах, движущих силах, механизмах и общих закономерностях эволюции живых организмов.

Биогеоценотический уровень.

Другое название этого уровня экосистемный. Популяции разных видов образуют в биосфере Земли надвидовые сообщества — биоценозы. Целостность биоценозов поддерживается системой межвидовых связей: пищевых, пространственных и др. Экосистемы характеризуются относительно устойчивыми круговоротами веществ и потоков энергии, специфичными для данной местности.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: биогеография — наука на стыке биологии и географии, которая изучает закономерности географического распро-странения и распределения животных, растений и микроорганизмов; биогеоценология — это наука о биогеоценозах и их совокупности в биосфере, или в биогеоценотическом покрове Земли; экология —  естественная наука (раздел биологии) о взаимодействиях живых организмов между собой и с их средой обитания, об организации и функционировании биосистем различных уровней (популяции, сообщества, экосистемы).

Биосферный уровень.

Биосфера представляет собой глобальную экосистему Земли, в которой геохимические и энергетические превраще-ния определяются суммарной активностью всех живых организмов. Биогеоценозы Земли образуют в совокупности биосферу нашей планеты, взаимосвязаны глобальным круговоротом веществ и энергии. Человечество составляет неотъемлемую часть биосферы и представляет собой социальную систему, которая предъявляет к среде широкий круг различных требований, прогрессивно возрастающих по мере развития науки, техники и культуры.

Науки, ведущие исследования на этом уровне: экология глобальная — комплексная научная дисциплина, изучающая биосферу в целом; экология космическая — это наука, изучающая воздействие человечества на космическую среду; экология социальная — дисциплина, рассматривающая взаимоотношения социальных групп в сфере природопользо-вания. физическая география — это наука, которая изучает природу земной поверхности и процессы, происходящие на ней..

• Клетка является наименьшей структурно-функциональной единицей организации, а также единицей размножения и развития всех живых организмов.
• Возникновение тканей и органов у многоклеточных животных и растений ознаменовало специализацию частей организма на выполнении различных функций.
• Интеграция органов в системы привела к еще большему усилению их функций и к еще большим возможностям организма по использованию среды обитания.

Вопросы для самопроверки:

1. Что отличает живые организмы от тел неживой природы?
2. Какие органические молекулы составляют основную массу сухого вещества клетки?
3. Какая биологическая система является наименьшей структурно-функциональной единицей организации, размножения и развития всех живых организмов?
4. Как вы считаете, в чем заключается необходимость выделения различных уровней организации живой материи?
5. Укажите критерии выделения различных уровней организации живой материи.
6. Каковы сущность и проявления основных свойств живого на разных уровнях организации?
7. Каковы всеобщие уровни организации жизни? В чем биологическое значение каждого уровня?