Структурные уровни организации живого

Устройство окружающего нас мира невероятно сложно, природа чутко хранит многие свои загадки от любопытных людей. Но, как говорил выдающийся физик Капица: «Мы должны быть благодарны Богу, что он создал мир так, что все простое — правда, а все сложное — неправда». Любое явление мира кажется сложным для понимания, пока мы не разобрались в нем, а завесу тайны надо многими вопросами наука уже приподняла.

Живое привлекало внимание людей с древнейших времен. Жизнь, окружающая нас, имеет огромное количество проявлений: растения и животные, крошечные и огромные, обитающие на суше и под водой, дикие и одомашненные, опасные и полезные организмы Казалось бы, ничего общего между ними нет. Однако понимание структуры уровней организации живого открывает многочисленные связи.

Цель данной работы изучение структурных уровней организации живого, причем особенно пристальное внимание уделяется клеткам. Для достижения цели предстоит решить ряд задач: дать характеристику основным уровням организации живого молекуляному, клеточному, тканевому, органному, организменному, популяционному, видовому, биоценотическому и наиболее крупному, глобальному биосферному; рассмотреть клетку как «первокирпичик», основу, из которой построено все живое; изложить главные положения современной клеточной теории, отметив ключевые этапы ее развития. В соответствии с задачами произведено деление работы на три главы: «Структурные уровни живого», «Клетка как „первокирпичик“ живого», «Основные положения клеточной теории строения живого».

Вопрос структурных уровней организации живого рассматривается в работах В. И. Кремянского (в данной работе использована книга «Структурные уровни живой материи. Теоретические и методологические проблемы»). Этому вопросу уделяется внимание и в большинстве учебников по биологии, концепциям современного естествознания, экологии Наиболее полно его раскрыл Пехов А. П. в учебнике для вузов «Биология с основами экологии» и Кнорре Д. Г. в учебнике для химических, биологических и медицинских специальностей в вузе «Биологическая химия». История клеточной теория и ее современные положения излагаются в учебниках по общей биологии и цитологии. В данной работе использованы учебники и учебные пособия следующих авторов: Анисимов А. П., Ярыгин В.Н.

Глава 1. Структурные уровни живого.

Представление о структурности живого сложилось к 60-м годам XX века. Согласно этому представлению, жизнь на Земле представлена индивидуумами определенного строения, принадлежащими к определенным систематическим группам, а также сообществами разной сложности. Индивидуумы обладают молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью; сообщества бывают одновидовые и многовидовые. Рассмотрим несколько основных уровней организации живой материи.

На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространённым является выделение на основе критерия масштабности.

Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии. На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процесы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и т. п.)

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

Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми маленькими биологическими молекулами являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами. Например, диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6.5 нм.

Физикохимическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по составу и функциям. Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. В состав большинства белков входит 100−500 аминокислот, но последовательности аминокислот в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными. Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные структуры, примерами которых являются нуклепротеиды (комплексы нуклеиновых кислот и белков), липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков).

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают другие биологические молекулы.

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

Клеточный уровень предмет биологии клетки (цитологии). Этот раздел современной биологии изучает проблемы морфологической организации клетки, специализации клеток в ходе развития, функций клеточной мембраны, механизмов и регуляции деления клеток. Эти проблемы имеют особенно важное значение для медицины, в частности, составляя основу проблемы рака.

Клеточный уровень представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), 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 есть между клетками-прокариотами и клетками организмов-эукариотов, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки». Надмолекулярные структуры на этом уровне формируют мембранные системы и органеллы клеток (ядра, митохондрии и др.).

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 времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам.

Тканевой уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностъю. 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, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются 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, заключающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.

Организменный 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, присущий организмам данного вида. Организмы уникальны в природе, потому что уникален их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и взаимоотношение их с окружающей средой.

Следующий уровень популяционный. 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 определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими и природе в качестве живых звеньев. Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. В составе одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом. Вид является также единицей классификации живых существ. На популяционном уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, динамики генетического состава популяции.