Тема 2. Природные системы и структурные уровни организации природных систем

При изучении этой темы необходимо уяснить классификацию систем живой и неживой материи, дать определение жизни, выделить специфические черты биологических систем, химический состав живых организмов, изучить аксиомы теоретической биологии, сформулированные Б.М. Медниковым. Студенту следует рассмотреть уровни организации Вселенной и заполнить таблицу. Важно определить геологические оболочки, входящие в биосферу и определить границы биосферы.

Базовые знания

Система (гр. - целое, составленное из части) - множество элементов,

находящихся в связях, образующих целостность, единство. В физике рассматривают три типа систем:

1) замкнутые – изолированные, которые не обмениваются с внешней средой ни веществом, ни энергией;

2) закрытые - могут обмениваться с внешней средой только теплотой и энергией, но не веществом;

3) открытые - обмениваются с внешней средой теплотой, энергией и веществом.

В биологии чаще все многообразие материальных систем сводится к двум основным типам:

- системы неживой природы – косные;

- системы живой природы - биотические;

Кроме этого, выделяют биокосную природную систему, создаваемую динамическим взаимоотношением организмов и окружающей их абиотической среды.

В неорганическом мире открытые системы обмениваются веществом, энергией, а в живых системах происходит обмен веществом, энергией и информацией, посредством которой происходит управление.

Живая система - открытая динамическая система, активно воспринимающая и преобразующая молекулярную информацию с целью самосохранения, что обеспечивает непрерывность жизни на планете.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов или критериев жизни. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни. К числу критериев жизни обычно относят:

- особенности химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, однако соотношение различных элементов в живом и неживом разное;

- живые организмы характеризуются упорядоченной сложной структурой;

- живые организмы получают энергию из окружающей среды, причем большинство из них прямо или косвенно используют солнечную энергию;

- все живые организмы обладают раздражимостью;

- живые организмы изменятся и усложняются;

- все живое размножается. Способность к самовоспроизведению - основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизма наследственности и изменчивости;

- живые организмы передают по наследству заложенную в них информацию, необходимую для развития и размножения потомства;

- живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания.

Многие ученые пытались дать определение и характеристику жизни. В одной из последних и наиболее удачных попыток живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б.М. Медниковым (1982) в виде аксиом теоретической биологии:

1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для их построения (генотипа), передающихся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана).

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К. Кольцова).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменятся случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч. Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В. Тимофеева-Ресовского).

5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (вторая аксиома Ч. Дарвина).

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЖИВОГО

Мир живого разнообразен и имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни или системы организации живого мира. Самым распространенным критерием является выделение, на основе масштабности.

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ - составляет предмет изучения молекулярной биологии. Важнейшей проблемой является понимание механизмов передачи генной информации и практическое использование знаний в области генной инженерии и биотехнологии.

КЛЕТОЧНЫЙ И СУБКЛЕТОЧНЫЙ УРОВНИ ЖИВОГО отражают процессы функционирования клеток и внутриклеточных механизмов. Клетка является основной элементарной единицей жизни, способной к воспроизводству. Именно в ней протекают все главнейшие обменные процессы. Поэтому начало биологической эволюции и появление подлинной жизни связано с возникновением клеточной организации.

ОРГАНИЗМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ЖИВЫХ СИСТЕМ явился следующей ступенью эволюции. Организм - отдельное живое существо, относительно самостоятельно взаимодействующее со средой обитания.

ПОПУЛЯЦИОННО - ВИДОВОЙ УРОВЕНЬ ЖИВОГО. Во второй половине ХХ века признано, что элементарной единицей эволюции живого является популяция, то есть сообщество особей одного вида, обладающих единой совокупностью генов и занимающих определенную территорию. Виды существуют в форме популяций.

Для популяционного уровня характерно:

1) Активная или пассивная подвижность всех компонентов популяций. Отсюда периодическое или постоянное перемешивание особей популяции.

2) Наличие популяций разных рангов и различных внутрипопуляционных группировок. Существуют как относительно независимые географические популяции, так и местные или "экологические" популяции, из которых большинство представляют собой временные или сезонные группировки.

3) Совместное существование и функциональное единство, единообразие приспособлений к среде, морфофизиологическая общность и генетическая индивидуальность.

4) Пространственная структура популяций имеет определенный самостоятельный регуляторный биологический смысл, проявляющийся в том, что высокая численность особей и устойчивость достигается не только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархически-пространственную структуру.

5) Характерная черта популяции - ее неоднородность.

Популяция выступает, с одной стороны, как устойчивая целостность, а с другой характеризуется изменчивостью, одной из причин которой является мутационный процесс. Недостаточный размах изменчивости при быстром изменении среды может привести к вымиранию популяции.

СООБЩЕСТВО. БИОЦЕНОЗ. Популяции - первый надорганизменный уровень организации живого и живые организмы встречаются на Земле не в любом сочетании, а в процессе совместного существования образуют биологические единства или биоценозы (от лат. биос - жизнь, ценоз - общий). Биоценоз или сообщество - это совокупность популяций всех видов живых организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни. В состав биоценоза входит растительное сообщество - фитоценоз, сообщество животных - зооценоз, микробные биокомпоненты - микробиоценозы. Относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое биоценозом, называется биотопом. Компоненты, относящиеся к неживой природе, образующие косное единство – экотоп.

БИОГЕОЦЕНОЗЫ. ЭКОСИСТЕМА. Они характеризуются определенными биологическими - в виде биоценозов - и абиологическими факторами среды. Термин был предложен в 1940 году русским ботаником В. Сукачевым (от греческого bios - жизнь, ge- Земля и koinos - общий). Под биогеоценозом (экосистемой) понимают совокупность живых организмов и среды обитания, объединенных обменом веществ, энергии и информации.

БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ. Термин "биосфера" впервые был использован в 1875 году австрийским геологом Э.Зюссом. В то время биосфера понималась как совокупность всех живых организмов на Земле. Позднее под биосферой стали подразумевать совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания, в которую входят вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Биосфера - оболочка Земли, развивающаяся под воздействием живых организмов. Научную концепцию биосферы и ноосферы создал выдающийся русский ученый академик Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). В работах Вернадского развивались мысли о высокой устойчивости основных характеристик биосферы, которая представляет единство геологических и биологических процессов.

В.И. Вернадский подчеркивал, что биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, весьма сложную саморегулирующуюся систему, состоящую из живого вещества и неживой материи. В состав, кроме живого вещества (растительного и животного мира, микроорганизмов), входят:

а) биогенные вещества – продукты жизнедеятельности живых организмов – гумус почв, каменный уголь, торф, нефть и т.п.;

б) биокосные вещества – осадочные породы, приземная атмосфера и прочие компоненты, которые созданы в прошлом организмами, т.е. продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами;

в) косные вещества – горные породы магматического, неорганического происхождения, вода, а также переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения (космическая пыль, метеориты и т.п.).

В.И. Вернадский выдвинул идею о закономерном переходе биосферы в ноосферу (сферу разума). Под ноосферой понимается та область биосферы, которая подвержена человеческой деятельности, а процессы могут быть в принципе управляемы человеком. Рассматривая человеческую деятельность как новую мощную преобразующую геологическую силу, В.И. Вернадский придавал особое значения научной мысли человечества как фактору, который гигантски ускоряет преобразование биосферы.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под термином "система"?

2. Дайте классификацию систем в термодинамике.

3. Почему биологические системы относятся к «открытым»?

4. Перечислите совокупность специфических черт биологических систем.

5. Какие свойство биологических систем являются универсальными?

6. Сравните химические элементы клетки и химический состав неживой природы. Какие элементы доминируют в биологических системах?

7. Какие химические соединения относят к органическим соединениям?

8. Почему трудно дать точное определение жизни?

9. Перечислите аксиомы теоретической биологии, сформулированные Б.М. Медниковым .

10. Перечислите уровни организации биологических систем на основе масштабности, начиная с наиболее крупного уровня.

11. Докажите, что клетка является основной элементарной единицей жизни.

12. Что может произойти с популяцией при ее длительной изоляции?

13. Какие черты характерны для популяционного уровня организации природных систем?

14. Кем было разработано учение о биосфере?

15. Определите границы биосферы.

16. Какие геологические оболочки входят в состав биосферы?

17. В чем принципиальная разница между биогенными, биокосными и косными веществами?