Для живой природы нашей планеты характерно сложное, иерархическое соотношение уровней организации . Весь органический мир и окружающая среда образует биосферу, которая, в свою очередь состоит из биогеоценозов (экосистем) - территорий с характерными природными условиями и определёнными растительными и животными комплексами (биоценозами). Биоценозы образованы популяциями - группами растительных и животных организмов одного вида, живущими на определённой территории и способнымы к произведению. Популяции состоят из представителей конкретных видов (особей), способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Многоклеточные организмы состоят из органов и тканей, образованных клетками. Одноклеточные организмы и клетки образованы внутриклеточными структурами, которые состоят из молекул.

Исходя из этого, выделяют несколько уровней организации живой материи .

Для каждого уровня организации живых организмов характерны свои закономерности, связанные со своими конкретными принципами организации, особенностями взаимоотношения с другими уровнями.

Общая биология изучает основные закономерности жизненных явлений, которые происходят на различных уровнях организации живого. Рассмотрение организации живой материи начинается из выяснения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, две или несколько тканей формируют орган. Многоклеточный организм имеет сложное строение, который состоит из тканей и органов, в то же время есть элементарной единицей биологического вида. Взаимодействуя между собой виды составляют сообщество, или экологическую систему, которая, в свою очередь, является одним из компонентов биосферы.

Каждый уровень организации организмов изучают соответствующие отрасли биологии.

Молекулярный уровень

Замечание 1

Любая живая система, как бы сложно она не была организована,определяется на уровне функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а так же иных важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и т. п.

Молекулярная биология, молекулярная генетика, физиология, цитохимия, биохимия, биофизика, определённые разделы вирусологии, микробиологии изучают физико-химические процессы, происходящие в живом организме (синтез, разложение и взаимные преобразования белков, нуклеиновых кислот, полисахариды, липидов и других веществ в клетке; обмен веществ, энергии и информации, которые регулируют эти процессы).

Такие исследования живых систем показали, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, которые в неживой природе практически невозможно обнаружить. Для живых организмов наиболее характерны такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды (жироподобные соединения) и составляющие их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, жирные кислоты). Так же, на этом уровне изучается синтез, распад и взаимные преобразования этих соединений в клетках, обмен веществ, энергии и информации, регуляция данных процессов.

В результате подобных исследований было выяснено, что важнейшая особенность основных путей обмена - действие биологических катализаторов - ферментов (соединений белковой природы), которые строго избирательно влияют на скорость химических реакций. Так же изучено строение некоторых аминокислот, ряда белков и многих простых органических соединений. Установлено, что химическая энергия, которая освобождается в ходе биологического окисления (процессы дыхания, гликолиза), запасается в виде богатых на энергию соединений (в основном - аденозинфосфорные кислоты АТФ, АДФ и др.), а потом используется в процессах, которые требуют поступления энергии (мышечные сокращения, синтез и транспорт веществ). Крупным успехом стало открытие генетического кода. Выяснено, что закодированная в ДНК наследственность через белки-ферменты контролирует как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом.

Исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, раскрытия их взаимосвязи между собой.

Используемые методы исследования на молекулярном уровне:

• электрофорез (для разделения макромолекул с использованием их различия в зарядах);
• ультрацентрифугирование (для разделения макромолекул с использованием их различия в плотности и размерах);
• хроматография (для разделения макромолекул с использованием их различия в адсорбционных свойствах);
• рентгеноструктурный анализ (изучают взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах);
• радиоизотопы (исследование путей превращения веществ, скорости их синтеза и распада);
• искусственное моделирование систем из выделенных клеточных элементов (воспроизведение процессов, идущих в клетке - все биохимические процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах).

Клеточный уровень

На клеточном уровне цитология, гистология, и их отделы (кариология, цито- и гистохимия, цитофизиология, цитогенетика), многие разделы физиологии, микробиологии и вирусологии изучают строение клетки и внутренних клеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в тканях и органах организма. Свободноживущих неклеточных форм жизни не существует.

Клетка - основная самостоятельная функциональная и структурная единица многоклеточного организма. Существуют одноклеточные организмы (водоросли, грибы, простейшие, бактерии). Также клетка есть единицей развития всех живых организмов, которые существуют на Земле. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции.

Благодаря исследованиям на клеточном уровне изучены основные компоненты клетки, строение клеток и тканей, их изменения в процессе развития.

Методы исследования на клеточном уровне:

• микроскопия (световой микроскоп позволяет видеть объекты до 1 мкм);
• цветные гистохимические реакции (выявление локализации в клетке различных химических веществ и ферментов);
• авторадиография (выявление в клетке мест синтеза макромолекул);
• электронная микроскопия (различение структур вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднительно из-за недостаточной контрастности изображения);
• центрифугирование (изучение функций внутриклеточных компонентов - их выделяют из разрушенных (гомогенизированных) клеток);
• культура тканей (исследование свойств клеток);
• микрохирургия (обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизация) клеток.

Тканевый уровень

Ткань есть совокупностью сходных за строением клеток, объединённых исполнением общей функции. Сотни разнообразных клеток входят в составляют тело разнообразных многоклеточных организмов. Разнообразные клетки животных образуют $4$ типа тканей: нервную, соединительную, эпителиальную и мышечную. У растений различают образующие и постоянные ткани. К постоянным тканям относятся покровные, проводящие, механические и основная ткань.

Органный уровень

Определение 2

Органы - это высокодефференциированные части тела, которые размещены в определённом месте и исполняют специальные функции. Это структурно - функциональные объединения нескольких типов тканей. Они образуются в процессе развития из клеток различных тканей.

Группы разных органов коллективно функционируют для исполнения общей для организма функции. У человека есть такие системы органов: пищеварительная, дыхательная, сердечно - сосудистая, нервная, секреторная, выделительная, репродуктивная, Эндокринная, мышечная, скелетная и система покровных тканей. Каждый отдельный орган системы исполняет конкретную функцию, но все вместе работают как одна «команда», обеспечивая максимальную эффективность всей системы. Все системы органов функционируют во взаимосвязи и регулируются нервной и эндокринной системами. Нарушение функционирования любого органа приводит к патологии всей системы и даже организма.

Организменный уровень

Физиология (растений и животных, высшей нервной деятельности), экспериментальная морфология, эндокринология, эмбриология, иммунология, а также ещё рад других биологических отраслей изучают процессы и явления, происходящие в особи, и согласованное функционирование её органов и систем.

На этом уровне для создания общей теории онтогенеза проводятся исследования, направленные на раскрытие причинных механизмов становления биологической организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетической информации в онтогенезе. Также изучаются механизмы работы органов и их систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную и гуморальную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и др.

На этом уровне изучаются также механизм работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношения органов, поведение организмов, приспособительные изменения.

В данный момент применяются методы исследования:

• электрофизиологические (состоят в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов);
• биохимические (проводится изучение эндокринной регуляции - выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов);
• кибернетические (исследование ВНД животных и человека методом моделирования);
• экспериментальные (выработка условных рефлексов, постановка задач).

Популяционно - видовой уровень

Определение 3

Определённые отрасли биологии (морфология, физиология, генетика, экология) изучают элементарную единицу эволюционного процесса - популяцию - совокупность особей одного вида, населяющих определённую территорию, более или менее изолированную от соседних групп.

Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано с молекулярным, клеточным и организменным уровнями.

Методами исследования являются методы тех наук, которые изучают конкретно поставленные на этом уровне вопросы:

• генетические методы - характер распределения наследственных особенностей в популяциях;
• морфологические
• физиологические
• экологические.

Популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных биологических отраслей.

Биогеоценотический, или биосферный, уровень

Определение 4

Биогеоценология, экология, биогеохимия и другие отрасли биологии изучают процессы, происходящие в биогеоценозах (экосистемах) - элементарных структурных и функциональных единицах биосферы.

На этом уровне ведутся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения биотических и абиотических компонентов, которые входят в состав биогеоценоза; изучается движение живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов. Такой подход даёт возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека и в форме международной программы «Человек и биосфера» координировать усилия биологов многих стран.

Важное практическое значение имеет изучение биологической продуктивности биогеоценозов (утилизации энергии солнечной радиации путём фотосинтеза и использования гетеротрофными организмами энергии, запасённой автотрофами).

Замечание 2

Необходимость детального изучения биосферного уровня организации живого обусловливается тем, что биогеоценозы - среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете.

Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень Сивоглазов Владислав Иванович

3. Уровни организации живой материи. Методы биологии

Вспомните!

Какие уровни организации живой материи вам известны?

Какие вы знаете методы научных исследований?

Уровни организации живой материи. Окружающий нас мир живых существ – это совокупность биологических систем разной степени сложности, образующих единую иерархическую структуру. Причём следует отчётливо представлять, что взаимосвязь отдельных биологических систем, принадлежащих к одному уровню организации, формирует качественно новую систему. Одна клетка и множество клеток, один организм и группа организмов – разница не только в количестве. Совокупность клеток, обладающих общим строением и функцией, – это качественно новое образование – ткань. Группа организмов – это семья, стая, популяция, т. е. система, обладающая совершенно иными свойствами, нежели простое механическое суммирование свойств нескольких особей.

В процессе эволюции происходило постепенное усложнение организации живой материи. При образовании более сложного уровня предыдущий уровень, возникший ранее, входил в него как составная часть. Именно поэтому уровневая организация и эволюция являются отличительными признаками живой природы. В настоящее время жизнь как особая форма существования материи представлена на нашей планете несколькими уровнями организации (рис. 4).

Молекулярно-генетический уровень. Как бы сложно ни была организована любая живая система, в её основе лежит взаимодействие биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также других органических и неорганических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии.

Клеточный уровень. Клетка – это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке.

Рис. 4. Уровни организации живой материи

Тканевый уровень. Ткань – это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединённых общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В животных организмах выделяют четыре основных типа ткани: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. В растениях различают образовательные, покровные, проводящие, механические, основные и выделительные (секреторные) ткани.

Органный уровень. Орган – это обособленная часть организма, имеющая определённую форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает.

Организменный (онтогенетический ) уровень. Организм – это целостная одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован, как правило, совокупностью тканей и органов. Существование организма обеспечивается путём поддержания гомеостаза (постоянства структуры, химического состава и физиологических параметров) в процессе взаимодействия с окружающей средой.

Популяционно-видовой уровень. Популяция – совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определённой территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида.

Вид – совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый кариотип, сходное поведение и занимают определённый ареал.

На этом уровне осуществляется процесс видообразования, который происходит под действием эволюционных факторов.

Биогеоценотический (экосистемный ) уровень. Биогеоценоз – исторически сложившаяся совокупность организмов разных видов, взаимодействующая со всеми факторами их среды обитания. В биогеоценозах осуществляется круговорот веществ и энергии.

Биосферный (глобальный ) уровень. Биосфера – биологическая система высшего ранга, охватывающая все явления жизни в атмосфере, гидросфере и литосфере. Биосфера объединяет все биогеоценозы (экосистемы) в единый комплекс. В ней происходят все вещественно – энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

Таким образом, жизнь на нашей планете представлена саморегулирующимися и самовоспроизводящимися системами различного ранга, открытыми для вещества, энергии и информации. Происходящие в них процессы жизнедеятельности и развития обеспечивают существование и взаимодействие этих систем.

На каждом уровне организации живой материи существуют свои специфические особенности, поэтому в любых биологических исследованиях, как правило, какой-то определённый уровень является ведущим. Так, например, механизмы деления клетки изучают на клеточном уровне, а основные успехи в области генной инженерии достигнуты на молекулярно-генетическом. Но такое разделение проблем по уровням организации является весьма условным, потому что большинство задач биологии так или иначе касаются одновременно нескольких уровней, а порой и всех сразу. Например, проблемы эволюции затрагивают все уровни организации, а методы генной инженерии, реализуемые на молекулярно-генетическом уровне, направлены на изменение свойств всего организма.

Методы познания живой природы. Исследуя системы разной степени сложности, биология использует разнообразные методы и приёмы. Одним из наиболее древних является метод наблюдения , на котором основывается описательный метод . Сбор фактического материала и его описание были основными приёмами исследования на раннем этапе развития биологии. Но и в настоящее время они не утратили своего значения. Эти методы широко используют зоологи, ботаники, микологи, экологи и представители многих других биологических специальностей.

В XVIII в. в биологии стал широко применяться сравнительный метод , который позволял в процессе сопоставления объектов выявлять сходства и различия организмов и их частей. Благодаря этому методу были заложены основы систематики растений и животных, создана клеточная теория. Применение этого метода в анатомии, эмбриологии, палеонтологии способствовало утверждению в биологии эволюционной теории развития.

Исторический метод позволяет сравнить существующие факты с данными, известными ранее, выявить закономерности появления и развития организмов, усложнения их структуры и функций.

Огромное значение для развития биологии имел экспериментальный метод , его первое применение связывают с именем римского врача Галена (II в. н. э.). Гален впервые продемонстрировал участие нервной системы в организации поведения и в работе органов чувств. Однако широко использоваться этот метод начал лишь с XIX в. Классическим образцом применения экспериментального метода являются работы И. М. Сеченова по физиологии нервной деятельности и Г. Менделя по изучению наследования признаков.

В настоящее время биологи всё чаще используют метод моделирования , позволяющий воспроизвести такие экспериментальные условия, которые в реальности воссоздать порой не представляется возможным. С помощью компьютерного моделирования, например, можно рассчитать последствия постройки плотины для определённой экосистемы или воссоздать эволюцию определённого вида живых организмов. Меняя параметры, можно выбрать оптимальный путь развития агроценоза или подобрать наиболее безопасное сочетание лекарственных препаратов при лечении конкретного заболевания.

Любое научное исследование, использующее разные методы, состоит из нескольких этапов. Сначала в результате наблюдений собирают данные – факты , на основе которых выдвигают гипотезу . Для того чтобы оценить верность этой гипотезы, осуществляют серии экспериментов с целью получения новых результатов. Если гипотеза подтверждается, она может стать теорией , включающей в себя определённые правила и законы .

При решении биологических задач используют самую разнообразную технику: световые и электронные микроскопы, центрифуги, химические анализаторы, термостаты, компьютеры и множество других современных приборов и инструментов.

Настоящую революцию в биологических исследованиях произвело появление электронного микроскопа, в котором вместо светового пучка используют пучок электронов. Разрешающая способность такого микроскопа в 100 раз выше, чем светового.

Одним из видов электронного микроскопа является сканирующий. В нём электронный луч не проходит через образец, а отражается от него и преобразуется в изображение на телеэкране. Это позволяет получать трёхмерное изображение исследуемого объекта.

Вопросы для повторения и задания

1. Как вы считаете, почему необходимо выделять различные уровни организации живой материи?

2. Перечислите и охарактеризуйте уровни организации живой материи.

3. Назовите биологические макромолекулы, входящие в состав живых систем.

4. Как проявляются свойства живого на различных уровнях организации?

5. Какие методы исследования живой материи вы знаете?

6. Может ли многоклеточный организм не иметь тканей и органов? Если вы считаете, что может, приведите примеры таких организмов.

Рис. 5. Амёба под микроскопом

Подумайте! Выполните!

1. Выделите основные признаки понятия «биологическая система».

2. Согласны ли вы с тем, что описательный период в биологии продолжается и в XXI в.? Ответ обоснуйте.

3. Рассмотрите рис. 5. Определите, какое изображение было получено при помощи световой микроскопии, какое – при помощи электронной, а какое – результат использования сканирующего микроскопа. Объясните свой выбор.

4. Из предыдущих курсов биологии, физики, химии или других предметов вспомните какую-нибудь хорошо известную вам теорию (закон или правило). Попробуйте описать основные этапы её (его) формирования.

5. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте презентацию или красочный стенд на тему «Современное научное оборудование и его роль в решении биологических задач». С каким оборудованием вы уже познакомились при изучении курса «Человек и его здоровье»? Для каких целей его используют? Можно ли медицинское оборудование считать биологическим? Объясните свою точку зрения.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Повторите и вспомните!

Растения

Появление тканей и органов растений. Появление тканей и органов в эволюции растений было связано с выходом на сушу. У водорослей отсутствуют органы и специализированные ткани, так как все их клетки находятся в одинаковых условиях (температурный режим, освещённость, минеральное питание, газообмен). Каждая клетка водоросли обычно содержит хлоропласты и способна к фотосинтезу.

Однако, выйдя на сушу, предки современных высших растений попали в совершенно иные условия: кислород, необходимый для дыхания, и углекислый газ, используемый для фотосинтеза, растения должны были получать из воздуха, а воду – из почвы. Новая среда обитания не была однородной. Возникли проблемы, которые надо было решать: защита от высыхания, поглощение воды из почвы, создание механической опоры, сохранение спор. Существование растений на границе двух сред – почвы и воздуха – привело к возникновению полярности: нижняя часть растения, погружаясь в почву, поглощала воду с растворёнными в ней минеральными веществами, верхняя часть, оставаясь на поверхности, активно фотосинтезировала и обеспечивала всё растение органическими веществами. Так появились два основных вегетативных органа современных высших растений – корень и побег.

Такое расчленение тела растений на отдельные органы, усложнение их структуры и функций происходило постепенно в процессе длительной эволюции растительного мира и сопровождалось усложнением тканевой организации.

Первой появилась покровная ткань, обеспечившая защиту растения от высыхания и повреждений. Подземная и наземная части растения должны были иметь возможность обмениваться различными веществами. Вода с растворёнными в ней минеральными солями поднималась вверх из почвы, а органические вещества перемещались вниз, к подземным частям растения, не способным к фотосинтезу. Это требовало развития проводящих тканей – ксилемы и флоэмы. В воздушной среде надо было противостоять силам гравитации, выдерживать порывы ветра – это потребовало развития механической ткани.

У высших растений различают вегетативные и генеративные (репродуктивные) органы. Вегетативными органами высших растений являются корень и побег, состоящий из стебля, листьев и почек. Вегетативные органы обеспечивают фотосинтез и дыхание, рост и развитие, поглощение и проведение в теле растения воды и растворённых в ней минеральных солей, транспорт органических веществ, а также участвуют в вегетативном размножении.

Генеративные органы – это спорангии, спороносные колоски, шишки и цветки, образующие плоды и семена. Они появляются в определённые периоды жизни и выполняют функции, связанные с размножением растений.

Человек

Методы изучения человека. Одним из первых анатомических методов, начиная с эпохи Возрождения, был метод аутопсии (вскрытия трупов). Однако в настоящее время существует множество методов, которые позволяют изучать организм прижизненно: рентгеноскопия, ультразвуковое исследование, магнитно-резонансная томография и многие другие.

Основу всех физиологических методов составляют наблюдения и эксперименты . Современные физиологи успешно применяют разнообразные инструментальные методы. Электрокардиограмма сердца, электроэнцефалограмма головного мозга, термография (получение теплофотографий), радиография (введение в организм радиометки), разнообразные эндоскопии (осмотры внутренних органов при помощи специальных приборов – эндоскопов) помогают специалистам не только изучать работу организма, но и на ранних стадиях выявлять заболевания и нарушения в работе органов. Многое о состоянии здоровья человека может сказать его артериальное давление, анализ крови и мочи.

Основными методами психологии являются наблюдения, анкетирование, эксперимент .

Гигиена, наряду с методами, используемыми в других науках, имеет свои специфические методы исследования: эпидемиологический, санитарного обследования, санитарной экспертизы, санитарного просвещения и некоторые другие.

Ваша будущая профессия

1. Оцените роль науки в жизни каждого человека и общества в целом. Напишите эссе по данной теме. Обсудите в классе, существует ли в настоящее время профессиональная деятельность, на которую не влияет развитие науки.

2. Оцените значение информации в современном обществе. Какова роль информации в успешном профессиональном росте? Раскройте смысл высказывания премьер-министра Великобритании Уинстона Черчилля (1874–1965) «Кто владеет информацией – тот владеет миром».

3. Попробуйте смоделировать ситуации, в которых вам могут пригодиться знания, полученные при изучении этой главы.

4. Специальность – комплекс приобретённых путём специальной подготовки и опыта работы знаний, умений и навыков, необходимых для определённого вида деятельности в рамках той или иной профессии. Профессия – социально значимый род занятий человека, вид его деятельности. Определите, что из ниже приведённого списка относится к специальности, а что – к профессии: биология, инженер-эколог, биотехнолог, экология, генный инженер, молекулярный биолог. Аргументируйте свой выбор.

5. Какую специальность вы планируете приобрести в ходе дальнейшего обучения? Определились ли вы уже с выбором профессии?

Из книги Занимательная ботаника [С прозрачными иллюстрациями] автора

Живой якорь

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Из книги Тайны мира насекомых автора Гребенников Виктор Степанович

Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина Владимир

Живой мешок Но, как обычно, из всех правил бывают исключения. На моем лабораторном столе произошло нечто противоестественное, не укладывающееся, по моим понятиям, ни в какие биологические рамки. Из желтоватого шелкового кокона, сплетенного гусеницей, которую я нашел в

Из книги Муравей-путешественник автора Мариковский Павел Иустинович

Живой дым Пожалуй, я не припомню ни одной энтомологической экскурсии, во время которой не увидел бы чего-нибудь интересного. А иногда выдаются особенно счастливые дни. В такой день природа будто специально для тебя приподнимает занавес, поверяя свои сокровенные тайны и

Из книги Мир животных. Том 2 [Рассказы о зверях крылатых, бронированных, ластоногих, трубкозубых, зайцеобразных, китообразных и человекообразных] автора Акимушкин Игорь Иванович

Живой свет Еще Аристотель в IV веке до н. э. писал, что «некоторые тела способны светиться во тьме, например грибы, мясо, головы и глаза рыб».Светящиеся бактерии излучают зеленый или голубоватый свет, хорошо заметный в темноте. Свечение это возможно лишь в присутствии

Из книги Мир животных. Том 3 [Рассказы о птицах] автора Акимушкин Игорь Иванович

Муравейник в живой ели Когда-то очень давно - может быть, более полувека назад - на здоровой елке сделали топором большую затеску. Возможно, это был какой-то условный знак жителей гор или обозначение границы между различными владениями. Дерево залечило рану смолой, и

Из книги Занимательная ботаника автора Цингер Александр Васильевич

Живой предок «Мы думаем, однако, что можно согласиться с тем, что загадочные тупайи действительно представляют живую модель того раннего предка, который когда-то сделал первые шаги от насекомоядных к приматам и, значит, принадлежит к ряду наших предков» (доктор Курт

Из книги Дарвинизм в XX веке автора Медников Борис Михайлович

Живой невод Нужно ли представлять пеликана? Его странную фигуру все хорошо знают. Кто не видел, может полюбоваться в зоопарке. Давно поразил пеликан воображение впечатлительных людей. В легендах, в мифологии и религии оставил он свой след. У магометан пеликан – священная

Из книги Энергия жизни [От искры до фотосинтеза] автора Азимов Айзек

Живой якорь Чилим Однажды в студенческие годы зашел я к своему товарищу, впоследствии близкому моему приятелю. Разговор зашел о гимназических воспоминаниях.- Вы в какой гимназии учились? - спросил я Р.- Я - в Астраханской, - отвечал он. - Я чистокровный

Из книги Антропология и концепции биологии автора Курчанов Николай Анатольевич

Из книги Биологическая химия автора Лелевич Владимир Валерьянович

Глава 13. И СНОВА О ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ МАТЕРИИ Все открытия и выводы о сохранении энергии и возрастании энтропии, о свободной энергии и катализе были получены на основе изучения неодушевленного мира. Всю первую половину книги я описывал и объяснял эти механизмы лишь для того,

Лекция 1. Химический состав клеток. Вода, соли

Общая биология (греч. bios – жизнь, logos – наука ) – наука, изучающая общие закономерности строения, обмена веществ, размножения и развития живых организмов, законы наследственности и изменчивости, многообразие живых организмов и закономерности их совместной эволюции и существования в сообществах.

Уровни организации жизни на Земле.

Жизнь изучается на различных уровнях, самый простой из которых – молекулярный . На этом уровне изучаются неорганические и органические молекулы, входящие в состав живых организмов – их строение и функции в живом организме.

На клеточном уровне изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение.

У многоклеточных организмов клетки специализируются, начинают гораздо более эффективно выполнять различные функции, появляется тканевый уровень.

Дальнейшее усложнение организмов связано с появлением органного уровня. Орган выполняет более конкретную функцию и еще более эффективно, чем просто ткань. Обычно орган содержит все ткани, но в связи с выполняемыми функциями в нем преобладает одна или две ткани, например, в сердце преобладает мышечная ткань, в щитовидной железе – железистая.

Органы приспосабливаются к совместной работе, такие совместно выполняющие определенные функции органы образуют системный уровень – за пищеварение отвечает целый ряд органов, образующих пищеварительную систему.

Таким образом, большинство многоклеточных организмов включают в себя все предыдущие уровни, которые формируют организменный уровень. Правда существуют и одноклеточные организмы.

Для существования во времени необходимо воспроизведение себе подобных, и группы живых организмов образуют виды, состоящие из популяций – это уже популяционно -видовой уровень.

Но виды существуют не изолированно, а в природном сообществе, взаимодействуют с другими видами живых организмов и приспосабливаются к факторам неживой природы, формируется биогеоценотический уровень.

Самый сложный уровень жизни на Земле – биосферный , это земная оболочка, заселенная живыми организмами.

Свойства живых организмов .

1. Отличительным свойством живых организмов от неживой природы является в первую очередь обмен веществ . Внешними проявлениями этого процесса является потребление и выделение организмом веществ и энергии. Вещества, поглощенные организмом, используются как строительный материал в реакциях пластического обмена и как источник энергии в реакциях энергетического обмена. И если горящая свеча тоже потребляет кислород и выделяет углекислый газ, то уж пластического обмена при этом не происходит.

2. Важнейшее свойство живых организмов – раздражимость . В ответ на внешнее воздействие происходит возбуждение и ответная реакция на раздражитель, позволяющая приспособиться к изменившимся условиям внешней среды.

3. Движение . У растений движение проявляется в форме тропизмов , ростовых движений, у животных без нервной системы – таксисы , у многоклеточных животных с нервной системой – рефлексы . Кроме того, движение проявляется в движении внутренних сред организма, движении цитоплазмы и органоидов, даже в движении молекул.

4. Рост организмов, который осуществляется за счет образования новых клеток и внеклеточных структур.

5. Развитие – неотъемлемое свойство живых организмов, в результате которого происходит постепенное усложнение организмов, заканчивается развитие старением организма и его смертью.

6. Размножение – свойство живых организмов, благодаря которому виды существуют не только в пространстве, но и во времени. Известно два основных типа размножения – бесполое и половое. При бесполом размножении организм наследует признаки одного организма и не происходит слияния генетического материала, при половом – новый организм образуется всегда после слияния генетического материала и всегда отличается по набору генов от родительских организмов.

7, 8. Для живых организмов характерна высокая степень организации и адаптированность , которая проявляется в сложном строении биологических молекул, органоидов, клеток, органов, их специализации к выполнению определенных функций. В результате естественного отбора организмы удивительным образом адаптировались к конкретным условиям обитания. Эта адаптация началась с эволюции на уровне молекул, затем на уровне органоидов клетки – на клеточном уровне, затем на уровне многоклеточного организма.

Многообразие жизни.

Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.

Химический состав клеток.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными . По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы , элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe (1,9%).

Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.

Различают молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобаль- ный (биосферный) уровни организации живого. На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. 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. На этом уровне зачинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельно- сти (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.). Физико-химическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основная масса живого представлена углеродом, кислородом, водородом и азотом. Из группы атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Большинство этих соединений в клетках представлены нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров и соединения последних в определенном порядке. Кроме того, мономеры макромолекул в пределах одного и того же соединения имеют одинаковые химические группировки и соединены с помощью химических связей между атомами, их неспецифи-

ческих частей (участков). Все макромолекулы универсальны, так как 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 четырех известных (аденин, гуанин, цитозин или тимин), вследствие чего любой нуклеотид неповторим по своему составу. Неповторима также и вторичная структура молекул ДНК.

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. Более того, эти процессы осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Например, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции.

Специфичность белков определяется специфической последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические биологические свойства белков, так как они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и регуляторами реакций в клетках. Углеводы и липиды служат важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

На молекулярном уровне осуществляется превращение энергии - лучистой энергии в химическую, запасаемую в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул - в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэргических связей АТФ. Наконец, здесь 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 молекулами 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.

Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организ-

мов (бактерии, простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. 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. Заметные различия в строении есть между клетками-прокариотами и клеткамиэукариотами, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки».

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных еди- ниц 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-эукариотов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембра- на, 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 пространственное разделение в клетках многих биологических молекул, а их физическое состояние позволяет осуществлять постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Таким образом, мембраны являются системой, компоненты которой находятся в движении. Для них характерны различные перестройки, что определяет раздражимость клеток - важнейшее свойство живого.

Тканевой уровень. Данный уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, кровь, нервная и репродуктивная). У рас-

тений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень. Представлен органами организмов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. Для позвоночных характерна цефализация, заклю- чающаяся в сосредоточении важнейших нервных центров и органов чувств в голове.

Организменный уровень. Данный уровень представлен самими организмами - одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходят декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида.

Видовой уровень. Данный уровень определяется видами растений и животных. В настоящее время насчитывают около 500 тыс. видов растений и около 1,5 млн видов животных, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Вид является также единицей классификации живых существ.

Популяционный уровень. Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции, которые характеризуются определенным генофондом. В пределах одного и того же вида может насчитываться от одной до многих тысяч популяций. В популяциях осуществляются элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка новой адаптивной формы.

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 взаимозависящих сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще подвижное равновесие между организмами и абиотическими факторами. На том уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Глобальный (биосферный) уровень. Данный 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. появляется новое качество.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. В чем заключается всеобщий методологический подход к пониманию сущности жизни?

2. Можно ли определить сущность жизни, если да, то в чем заключается ее определение?

3. Возможна ли постановка вопроса о субстрате жизни?

4. Назовите свойства живого. Укажите, какие из этих свойств характерны для неживого и какие только для живого?

5. Какое значение для биологии имеет подразделение живого на уровни вообще и для медицины в частности?

6. Какими общими чертами характеризуются разные уровни организации живого?

7. Какое значение для студента-медика имеет изучение проблем, описываемых в этой главе?

8. Почему нуклеопротеиды считают субстратом жизни и при каких условиях они выполняют эту роль?

9. Каковы свойства «мертвого» и «живого»?

10. Обладают ли выделенные из клеток нуклеопротеиды свойствами субстрата жизни?

Биосфера и человек, структура биосферы.

Биосфе́ра - оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Границы биосферы:

· Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

· Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

· Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы. Эта постоянная взаимосвязь получила название закона бумеранга, или закона обратной связи взаимодействия человек – биосфера.

Для того, чтобы скорректировать поведение человека в отношении природы, Б. Коммонером были сформулированы четыре закона, которые, с точки зрения Реймерса

1 – всё связано со всем

2 – все должно куда-то деваться

3 – природа знает лучше

4 – ничто не дается даром

Структура биосферы:

· Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

· Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

· Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.

· Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

· Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

· Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

· Вещество космического происхождения.

Уровни организации жизни.

Уровни организации жизни- иерархически соподчинённые уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения. Чаще всего выделяют семь основных структурных уровней жизни: молекулярный, клеточный,органно-тканевой, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. В типичном случае каждый из этих уровней является системой из подсистем нижележащего уровня и подсистемой системы более высокого уровня.

1) Молекулярный уровень организации жизни

Представлен разнообразными молекулами, находящимися в живой клетке (Объединение молекул в особые комплексы, кодирование и передача генетической информации)

2) Тканевый уровень организации жизни

Тканевый уровень представлен тканями, объединяющими клетки определённого строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью.. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). У растений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

3) Органный уровень организации жизни

Органный уровень представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счёт различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счёт разного количества тканей.

4) Организменный (онтогенетический) уровень организации жизни

Представлен одноклеточными и многоклеточными организмами растений, животных, грибов и бактерий.Клетка - основной структурный компонент организма.

5) Популяционно-видовой уровень организации жизни

Представлен в природе огромным разнообразием видов и их популяций.

6) Биогеоценотический уровень организации жизни

Представлен разнообразием естественных и культурных биогеоценозов во всех средах жизни.

7) Биосферный уровень организации жизни

Представлен высшей, глобальной формой организации биосистем - биосферой.

3. Распространенность и роль живого вещества на планете.

Живые организмы, регулируют круговорот веществ, служат мощным геологическим фактором, образующим поверхность Земли.