Уровни организации живого

В настоящее время выделяют следующие уровни организации живой материи: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биосферный. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями, присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.

Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и стероидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул.

Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые в процессе метаболизма превращаются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы с большой молекулярной массой. На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

Все макромолекулы универсальны, т.к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из 4 известных (аденин, гуанин, цитозин и тимин), вследствие чего любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и вторичная структура молекулы ДНК. 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 нуклеопротеиды, представляющие собой 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. Углеводы и липиды являются важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды в виде стероидных гормонов имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что процессы биосинтеза осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти мутации изменяют последовательность азотистых оснований в молекулах ДНК.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул – в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ. Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу – механическую, электрическую, химическую, осмотическую, механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), т.к. являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Клеточный уровень. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Этот уровень представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие), а также клетками многоклеточных организмов. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл.

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам. Например, у клеток эукаритов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы).

Мембранные структуры являются «ареной» важнейших жизненных процессов, причем двухслойное строение мембранной системы значительно увеличивает площадь «арены». Кроме того, мембранные структуры обеспечивают отделение клеток от окружающей среды, а также пространственное разделение в клетках многих биологических молекул. Мембрана клеток обладает высокоизбирательной проницаемостью. Поэтому их физическое состояние позволяет постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Помимо мембран общего назначения в клетках существуют внутренние мембраны, которые ограничивают клеточные органеллы.

Регулируя обмен между клеткой и средой, мембраны обладают рецепторами, которые воспринимают внешние стимулы. В частности, примерами восприятия внешних стимулов являются восприятие света, движение бактерий к источнику пищи, ответ клеток-мишеней на гормоны, например, на инсулин. Некоторые из мембран одновременно сами генерируют сигналы (химические и электрические). Замечательной особенностью мембран является то, что на них происходит превращение энергии. В частности, на внутренних мембранах хлоропластов происходит фотосинтез, тогда как на внутренних мембранах митохондрий осуществляется окислительное фосфорилирование. Компоненты мембран находятся в движении. Построенным главным образом из белков и липидов, мембранам присущи различные перестройки, что определяет раздражимость клеток – важнейшее свойство живого.

Тканевый уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью (пояснить на примере выхода растений на сушу). У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь и лимфа). У растений различают: меристематическую, покровную, механическую, проводящую, основную и выделительную ткани.

Органный уровень. Представлен органами организмов. Орган – это обособленная совокупность тканей и отдельных клеток, выполняющих определенную функцию в пределах живого организма.

У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляется за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. Для позвоночных характерна цефализация (филогенетич. процесс обособления головы у билатерально-симметричных животных и включение в её состав органов, расположенных у предков в др. частях тела), защищающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.

Организменный уровень. Этот уровень представлен самими организмами – одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида. Организмы уникальны в природе, потому что уникален их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и взаимоотношение их с окружающей средой.

Популяционный уровень. Растения и животные не существуют изолированно, они объединены в популяции. Создавая надорганизменную систему, популяции характеризуются определенным генофондом и определенным местом обитания. В популяциях начинаются и элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка адаптивной формы.

Видовой уровень. Этот уровень определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. Вид может быть представлен от одной до многих тысяч популяций, которые приурочены к различным местообитаниям и занимают различные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом (на примере женщин в прошлом и современности). Вид является единицей классификации живых существ.

Биоценотический уровень. Представлен биоценозами - сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще динамическое (подвижное) равновесие между организмами и абиотическими факторами. На этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Биосферный уровень (глобальный). Этот уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии.

Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство, живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т.е. связан с появлением нового качества.

3. Иерархия живого в биосфере

Органический мир целостен, т.к. составляет систему взаимосвязанных частей, в тоже время он дискретен, т. к. состоит из дискретных единиц организмов или особей. Каждый организм одновременно и целостная, и дискретная система. В биологии ХХ века сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одной из основ живого. На всех уровнях организации жизни проявляются все основные свойства живой материи, хотя на каждом из уровней характер их проявления имеет качественные особенности.

Все многообразие организмов разделяется на две группы - прокариоты и эукариоты.

К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, не имеют оформленного ядра, генетический материал (ДНК) находится прямо в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной, отсутствуют митохондрии, центриоли, пластиды.

Эукариоты (растения, грибы, слизевики и животные) имеют типичный ядерный аппарат. Среди них как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.

Таблица 1. Основные различия между прокариотами и эукариотами

В настоящее время на поверхности нашей планеты произрастает свыше 500 000 видов растений, из них около 200 000 видов цветковых.

Все множество живых организмов классифицируется по определенной системе иерархически соподчиненных групп – таксонов. Таксон - группа организмов, связанных той или иной степенью родства и достаточно обособленную, чтобы ей можно было присвоить таксономическую категорию того или иного ранга – вид, род, семейство, порядок, класс, отдел, царство и надцарство.

Большинство современных ученых признают 2 надцарства – прокариоты и эукариоты. Надцарство прокариот включает 2 царства – архебактерии и бактерии (в т.ч. сине-зеленые водоросли); надцарство эукариот – 3 царства – животные, грибы и растения.

Каждое растение относится к определенному виду, а вид – к роду. В настоящее время во всех странах мира общепризнанной является бинарная номенклатура, введенная К.Линнеем, т.е. двойное название растений (лютик едкий – Ranunculus acer).

Вершина эволюции животного мира - тип хордовых, растительного мира - тип покрытосеменных.

Большинство биологов считают, что свойства живого в полной мере проявляются в отдельном организме, что единицей жизни является клетка, и что специфика живого связана с особой упорядоченностью биологических структур - молекул ДНК. Но проблемы биологической организации значительно шире и их решение - это выявление общих принципов в организации живого, законов возникновения развития жизни.

Людвиг фон Берталанфи в 1927 году разработал "Организменную концепцию", которая далее трансформировалась в "Общую теорию систем". Основа его концепции - иерархический порядок организации живой природы, в котором каждая система - комплекс взаимодействующих элементов - является компонентом системы более высокого уровня: атомы в молекуле, молекулы в клетке, клетки в организме, организмы в колониях и сообществах.

В развитии систем одни организаторы подчинены другим - рангом выше, те в свою очередь подчинены еще более высоким рангам. Следовательно, организацию данной системы нельзя объяснить суммированием свойств ее элементов, а надо исходить из ее соподчиненного положения в иерархии живой природы. Выделяют следующие градации: микромир, макромир, мегамир.

Микромир мы можем постичь, только используя микроскопическую технику. Человек живет на среднем уровне, наиболее богатом в информационном отношении - это макромир. Все, что выходит за пределы нашей биосферы - мегамиры.

Исходное научное знание фиксирует и формирует объект и предмет научного исследования, в которых накапливаются научные факты и возникают научные проблемы. Решение проблемы начинается с выдвижения идей и формулирования гипотез. Подтвержденные гипотезы принимают статус законов и тем самым завершают формирование зрелой теории. Метатеории - синтез мирового научного знания в общих и частных научных картинах мира.