Концепции структурных уровней организации живой материи

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации ее структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, которая складывается из биогеоценозов - областей с характерными природными условиями, заселенными определенными комплексами (биоценозами) организмов. Биоценозы состоят из популяций - совокупностей животных и растительных организмов одного вида, живущих на одной территории. Популяция состоит из особей. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими отраслями современной биологии.

А) Молекулярный уровень

На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, вирусологией, микробиологией изучаются физико-химические процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.).
На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществами, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Изучено строение ряда белков и некоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическая энергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.) и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.).
Крупный успех биологии - открытие генетического кода. Наследственные свойства организма "записаны" в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), четырьмя видами чередующихся в определенной последовательности мономеров - нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам.
Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифунгирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хромостография). Взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений, содержащих радиоактивные атомы.

Б) Клеточный уровень

При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих изопределенным образом подобранных и ориентированных молекул, биология поднимается на следующий уровень организации жизни - клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их разделы, а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка - основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются ее компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и ответственные за сохранение и передачу дочерними клетками наследственных свойств.
Энергетический обмен в клетке - дыхание, синтез АТФ и пр. - происходит в митохондриях. Поддержание химического состава клетки, активный транспорт веществ в нее и из нее, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функционирующее сочетание нескольких тканей - орган. Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития.
При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски. Электронная микроскопия позволяет различать очень мелкие структуры, вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма.