Уровни организации живых систем.

Вопросы к экзамену по биологии

1. Естествознание – это целая совокупность наук, которые изучают природу, ее законы. Таким образом, данный курс затрагивает одновременно математику, физику, химию, биологию, философию и т. д.

Все эти науки можно классифицировать:

Науки математические;

Науки естественные;

Науки технические;

Науки гуманитарные.

Как же изучение этих различных наук способствует нашему пониманию естествознания? Очень просто рассмотрим это на примере ряда наук:

1) физика и химия – естественные науки, изучающие законы природы. Физика не занимается непосредственно изучением природы – ее задача заключается в том, чтобы что-либо подтвердить или, наоборот, опровергнуть;

2) физика и математика. Законы физики сформулированы (или же «написаны») на математическом языке. Чтобы это понять, достаточно вспомнить школьную программу;

3) «гибридные», или «синтезированные», науки. С течением веков и тысячелетий человечество пришло к пониманию того, что без смешивания (синтезирования) наук дальнейшее их развитие невозможно. Так появились физхимия, химфизика, биохимия, биофизика. Эйнштейн в своей теории относительности объединил механику и неэвклидову геометрию.

После открытия О. Гона и Ф. Штрасмана, изучавших химические свойства деления ядра, физика получила дальнейшее развитие так же, как и вся мировая наука в целом.

Для естествознания, как и для философии в целом, большое значение имеет такой критерий, как знание. В словаре русского языка Ожегова С. И. даются два определения понятия знания:

1) постижение действительности сознанием;

2) совокупность сведений, познаний в какой-нибудь области.

Знание – это многоаспектный проверенный практикой результат, который был подтвержден логическим путем, процесс познания окружающего мира. Многоаспектность философского знания вытекает из того, что философия состоит из множества наук.

Можно назвать несколько критериев научного знания:

1) систематизированность знания означает, что весь накопленный опыт человечество приводит (или должно приводить) к определенной строгой системе;

2) непротиворечивость знания означает, что знания в различных областях науки дополняют друг друга, а не исключают. Этот критерий непосредственно вытекает из предыдущего. Первый критерий в большей мере помогает устранять противоречие – строгая логичная система построения знания не даст одновременно существовать нескольким противоречивым законам;

3) обоснованность знания. Научное знание может подтверждаться путем многократного повторения одного и того же действия (т. е. эмпирически). Обоснование научных концепций происходит путем обращения к данным эмпирического исследования либо путем обращения к возможности описывать и предсказывать явления (проще говоря, опираясь на интуицию).

Концепции современной биологии. Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения (орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная биология и биохимия (химические основы жизни), генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология, биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и физиология (строение и принципы функционирования организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория эволюции (историческое развитие живой природы).БИОГЕНЕЗ. Все живые организмы происходят только от других живых организмов, и из этого правила нет исключений. Не совсем ясно, можно ли считать живыми субмикроскопические фильтрующиеся вирусы, но нет сомнений в том, что появление их в большом количестве в среде возможно только за счет размножения тех вирусов, которые уже попали туда раньше. Из невирусного вещества вирусы не возникают. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ. Одно из величайших научных обобщений XIX века. Создатель этой теории - немецкий учёный Шванн, который, опираясь на работы Шлейдона в 1838-1839 годах сформулировал следующие положения: все организмы растений и животных состоят из клеток; каждая клетка функционирует независимо от других, но вместе со всеми; все клетки возникают из бесструктурного вещества неживой материи. Позднее Вирхов (1858) внёс существенное уточнение в последнее положение: все клетки возникают только из предшествовавших клеток в результате деления. Современная клеточная теория: Клеточная организация возникла на заре жизни и прошла длительный путь эволюции от прокариот к эукариотам, от предклеточных организмов к одно- и многоклеточным. Новые клетки образуются путём деления уже существующих. Клетка является микроскопической живой системой, состоящей из цитоплазмы и ядра, окруженных мембраной (искл. прокариоты). В клетке осуществляются: метаболизм, обратимые (дыхание, поступление и выделение веществ, раздражимость, движение) физиологические процессы, необратимые (рост, развитие) физиологические процессы. Клетка может быть самостоятельным организмом. Все многоклеточные организмы состоят из клеток и их производных. Рост, развитие и размножение многоклеточного организма - следствие жизнедеятельности одной (зигота) или нескольких клеток (культура тканей). ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ЭВОЛЮЦИЯ. Генетическая теория гласит, что признаки особей каждого поколения передаются следующему поколению через единицы наследственности, называемые генами. Крупные сложные молекулы ДНК состоят из четырех типов субъединиц, называемых нуклеотидами, и имеют структуру двойной спирали. Информация, содержащаяся в каждом гене, закодирована особым порядком расположения этих субъединиц. Поскольку каждый ген состоит примерно из 10 000 нуклеотидов, выстроенных в определенной последовательности, существует великое множество комбинаций нуклеотидов, а соответственно и множество различных последовательностей, являющихся единицами генетической информации. Определение последовательности нуклеотидов, образующих определенный ген, стало теперь не только возможным, но даже довольно обычным делом. Более того, ген можно синтезировать, а затем клонировать, получив, таким образом, миллионы копий. Если какое-то заболевание человека вызвано мутацией гена, который в результате не функционирует надлежащим образом, в клетку может быть введен нормальный синтезированный ген, и он будет выполнять необходимую функцию. Эта процедура называется генной терапией. Грандиозный проект «Геном человека» призван выяснить нуклеотидные последовательности, образующие все гены человеческого генома. Одно из важнейших обобщений современной биологии, формулируемое иногда как правило «один ген – один фермент – одна метаболическая реакция», было выдвинуто в 1941 американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тейтемом. Согласно этой гипотезе, любая биохимическая реакция – как в развивающемся, так и в зрелом организме – контролируется определенным ферментом, а фермент этот в свою очередь контролируется одним геном. Информация, заложенная в каждом гене, передается от одного поколения другому специальным генетическим кодом, который определяется линейной последовательностью нуклеотидов. При образовании новых клеток каждый ген реплицируется, и в процессе деления каждая из дочерних клеток получает точную копию всего кода. В каждом поколении клеток происходит транскрипция генетического кода, что позволяет использовать наследственную информацию для регуляции синтеза специфических ферментов и других белков, существующих в клетках.

2. Большой вклад в выяснение сущности жизни сделал Ф. Энгельс, который рассматривал жизнь как особую форму движения материи. "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел" (Анти-Дюринг). "Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой" (Диалектика природы). До настоящего времени нет точного всеобъемлющего определения жизни. Ниже даны определения этого явления, которые подчеркивают те или иные стороны жизни.

А. И. Опарин: "Жизнь — одна из высших форм движения и организации материи".

Б. М. Кедров (философ): "Жизнь есть способ существования биополимеров и прежде всего белков и нуклеиновых кислот".

Вильштеттер (физиолог): "Жизнь — строго упорядоченные взаимодействия ферментных систем".

А. Н. Колмогоров (математик): "Живые системы — это системы, через которые текут непрерывные потоки вещества, энергии, информации и которые способны воспринимать, хранить и перерабатывать информацию".

Л. Полинг (биохимик): "Жизнь - это не свойство какой-либо молекулы, а скорее результат взаимодействия между молекулами".

В. И. Гольданский: "Жизнь есть форма существования биополимерных тел (систем), способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой".

Жизнь настолько сложное явление, что поддается определению лишь в самых общих чертах. Развитие биологии в XX веке позволяет заключить, что жизнь — это совокупность следующих особенностей: структурная организация (органоиды клетки), сочетание потоков материи, энергии и информации, упорядоченность в пространстве (молекулярный, клеточный, тканевой и др. уровни), упорядоченность во времени (очередность протекания этапов обмена веществ).

Гипотеза Гольданского

1.Образование и накопление различных органических биополимеров.

2. Разрушение зеркальной симметрии в "первичном бульоне" и формирование хирально чистой органической среды: сохранение только левовращаюших аминокислот и только правовращающих Сахаров.

3. Образование коротких цепочек РНК и ДНК. Синтез простейших полипептидов. Возникновение простейших полипептидов и биополимерных систем, способных к самовоспроизведению. Возникновение жизни.

Основные свойства жизни:

1. Способность к самовоспроизведению.

2. Способность к образованию ограниченного пространства.

3. Способность к синтезу длинных гетерополимеров путем матричного синтеза.

4. Наличие биологической — генетической — информации в виде нуклеиновых кислот.

5. Обмен веществ.

6. Дискретность.

7. Рост.

8. Развитие.

9. Гомеостаз.

10. Раздражимость.

11. Движение.

Живое – это совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии.

Эти основные свойства:

1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул-биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров, а также других биологически активных веществ, которые редко встречаются в неживой природе.

2. Дискретность и сложная иерархическая структурная организация. Рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно приходим к проблеме целого и части – наблюдаемые объекты являются частями целого и, в свою очередь, состоят из каких-то других частей. На каждом уровне организации выделяют элементарную единицу и элементарные явления. Элементарная единица – это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей молекулярно-генетического уровня является ген, клеточного – клетка, организменного – особь, популяционного – совокупность особей одного вида – популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса. Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно.

3. Обязательность жизни в сообществе (социальность). Каждая отдельная структурная единица живой материи не может существовать изолированно, отдельно от особей своего и других видов. Это относится к любым уровням жизни. Даже само присутствие многочисленных особей вида приводит к его сохранению при гибели части сообщества. Погибающая часть, например, амеб, выполняет общественную функцию отвлечения от выживающих особей, которые за счет размножения не дадут исчезнуть виду. У более высокоорганизованных животных социальность становится настолько очевидной, что, например, часть насекомых так и называют общественными. Многим видам животных присуще разделение труда, семейная структура, поведенческая взаимопомощь и т.д.

5. Способность к саморегуляции (авторегуляции). В процессе саморегуляции живые организмы развиваются, изменяются и усложняются. В отличие от самоорганизации неживых неорганических систем, где молекулы просты, а механизм реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для создания и развития новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состояния – отрицательная обратная связь.

6. Необратимость процессов. Необратимость живых процессов связана с их открытостью, незамкнутостью, а также – с необратимостью времени. Это свойство живых систем, скорее всего, индивидуальное (онтогенетическое) и вряд ли относится к эволюции живой материи в целом. Другими словами каждый организм необратимо рождается, развивается, стареет и погибает. Биоценозы всех уровней способны погибать (сгоревшая тайга) и иногда возрождаться. В длительном геопланетном масштабе эволюции Земли биосферный уровень жизни также конечен.

7. Направленность биологических процессов на устойчивую асимметричную гармонию. Устойчивы лишь асимметричные живые объекты (что связано с выживанием – биологическая симметрия мертва). С гармонией развития организма, как целого, так и его частей, хорошо согласуется универсальный для современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой проблеме он отвергает возможность понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей организма.

8. Статистичность процессов (индивидуализация организма). Это свойство живых организмов связано с их индивидуальной изменчивостью. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние систем. По существу этих качественных состояний ровно столько, сколько особей организмов существует на Земле.

9. Ритмичность процессов. Ритмичность – еще одно следствие тесного взаимодействия живой и неживой природы. В природе повсюду распространены колебательные процессы: океанские приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Это суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования. Например, сезонные и суточные ритмы выработались как приспособление живых организмов к геофизическим циклам среды.

10. Многообразие. Многообразие состоит в том, что во всех биологических процессах всегда и везде происходит преобразование энергии – превращение квантов света в химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышц, выделение теплоты при дыхании, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки и многое другое. Унификация заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти процессы, во всех случаях является универсальное химическое соединение – (АТФ).

11. Самовоспроизведение. Это одно из главных свойств живой материи, так как без этого процесса понятие "жизнь" исчезает, если не предположить возможности бессмертия. В противоположность обыденному мнению в живом мире преобладает бесполое и партеногенетическое (без самцов) размножение. Половой процесс менее распространен и в большей степени присущ высшим и низшим животным, а также цветковым растениям. Очень часто половой процесс многоступенчатый, связан с множеством уникальных приспособлений (физиологические, морфологические, поведенческие и т.д.).

12. Наследственность. Живые организмы передают потомкам заложенную в их генах информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Ген – единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей.

13. Приспособляемость. Приспособляемость – одно из главных свойств живой материи, отличающих их от косного вещества. В неживой природе эволюция, а значит, и приспособляемость всегда подчиняется физико-химическим законам (например, занятие определенных орбит планетами Солнечной системы). В живой природе кроме этого имеет значение особенности ее собственной структуры. Можно сказать, что живая природа сама является ведущим фактором приспособляемости, которая основана на отборе отдельных особей, наиболее эффективно функционирующих в данных условиях среды. Например, если на Земле наступил стабильно теплый период, то выживают (отбираются неживой и живой природой) организмы, для которых данная температура наиболее эффективна. Может показаться, что и камни будут выживать (не раскалываться) по тем же условиям. Однако живой организм еще должен добывать в этих условиях пищу, убегать от хищников и т.д. Проблема выживания (приспособляемости) собственно не в самой температуре, а в возможности избежать летальных вариантов в конкурентной борьбе.

3. Очевидно, что общефизический принцип, лежащий в основе единой теории, должен быть сформулирован прежде всего для микрочастиц, поскольку из микрочастиц состоят все физические тела.

Известен принцип "единства и связности мира", согласно которому вещество и силовое поле, как две формы материи, должны иметь общие свойства.

Следовательно, микрочастица, как "элемент" вещества, должна обладать свойствами поля, сохраняя при этом отличительные особенности, проявляющиеся, например, в "привязке" к конкретным координатам в любой произвольной системе отсчета.

Таким образом, исходя из принципа единства и связности мира, можно дать следующее определение микрочастицы:

Вещественная микрочастица - это особого рода поле (назовем его - вещественным полем), распространяющееся в пространстве таким образом, что в любой произвольной системе отсчета для любого конечного промежутка времени, большего минимальной для данной частицы ненулевой величины, существует только конечное непустое множество точек (узловых точек), через каждую из которых поток вышеназванного поля проходит полностью.

Данное определение микрочастицы в дальнейшем будем именовать "принципом дискретности".

Можно убедиться, что только это определение удовлетворяет принципу единства и связности мира.

Действительно, если бы поток вещественного поля не проходил целиком через "общие" (узловые) точки, то микрочастица не обладала бы свойствами, отличающими ее от суммы наложенных друг на друга "обычных" полей.

Если бы для конечного промежутка времени существовало бесконечное множество узловых точек, то у такой микрочастицы имелась бы "классическая" траектория в виде непрерывной кривой, и саму микрочастицу следовало бы считать материальной точкой, не имеющей ничего общего ни с каким полем.

И если бы время прохождения частицы через узловую точку было нулевым, то такая частица постоянно занимала бы нулевой объем, а значит, являлась бы совокупностью материальных точек, а не вещественным полем.

Заключение

В настоящий момент разработаны только основные положения этой теории. В ее создании, которое находится в самой начальной стадии, приглашаю принять участие всех заинтересованных специалистов.

Уровни организации живых систем.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Его называют также организменным уровнем, поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного организма без учета его связей и взаимодействий с другими организмами. При переходе к популяциям все внимание сосредоточивается на изучении совокупности или, точнее, системы взаимодействующих отдельных организмов.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или системы, живых организмов составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяции представляют собой первый надорганизменный уровень организации живых существ. Хотя он тесно связан с онтогенетическим и молекулярным уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих компонентов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами.

Биоценоз- это исторически сложившееся, устойчивое сообщество популяций, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ.

Биоценозы являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.).

Для его обозначения академик В.Н. Сукачев (1880—1967) ввел термин биогеоценоз.

Биогеоценоз- совокупность биоценозов и их среды обитания, образующих биосферу Земли.

Поскольку основу надорганизменных уровней организации живого составляют популяции, целесообразно остановиться на характеристике их несколько подробнее.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки, называемая популяционной биологией. Одна из основных проблем, которую она призвана решить, заключается в установлении пространственной структуры и объемов популяций. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в силу подвижности элементов популяции, т.е. составляющих ее организмов, происходит непрерывное перемешивание популяций. Другая трудность заключается в наличии внутри популяций различных группировок и даже существовании популяций разных рангов.

В рамках популяционной биологии исследуются также весьма важные проблемы метаболического взаимодействия между популяциями и биоценозами, которые относятся прежде всего к изучению их трофических, или пищевых, связей. Именно на этой основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно состоит в том, что популяции: представляют собой незамкнутые, открытые метаболические системы, которые могут существовать и развиваться только при взаимодействии с другими популяциями. В отличие от них биоценозы — относительно замкнутые метаболические системы, в которых обмен и круговорот веществ может осуществляться в рамках входящих в биоценоз популяций. Однако эта замкнутость имеет ограниченный и относительный характер, хотя бы потому, что разные биоценозы также взаимодействуют

Для характеристики трофического взаимодействия популяций и биоценозов существенное значение имеет общее правило, согласно которому чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого надорганизменного уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия составляющих живую систему элементов.

4. Клетка - элементарная структурная, функциональная и генетическая единица многоклеточного организма. Клетки составляют основу развития, строения и жизнедеятельности всех животных и растительных организмов. В теле человека насчитывают приблизительно 10 в 14 степени клеток. Клетки сложного организма специализированы. В зависимости от выполняемой функции они имеют различную форму и особенности строения. Мышечные клетки имеют удлиненную форму; в железистых клетках вырабатываются соки организма, и они часто бывают бокаловидными; нервные клетки связывают различные части тела, они имеют длинные отростки. Клетки любого организма, начиная с одноклеточных и заканчивая сложнейшими многоклеточными, имеют единый план строения и функциональную организацию.

Ее основные компоненты:

-ядро: регуляция активности клетки, хранение наследственной информации, передача информации, определение специфичности белков в цитоплазме.

-клеточная мембрана: это оболочка клетки, выполняющая следующие функции: разделение содержимого клетки и внешней среды, регуляция обмена веществ между клеткой и средой, место протекания некоторых биохимических реакций (в том числе фотосинтеза),объединение клеток в ткани.

-цитоплазма: объединение всех компонентов клетки в единую систему,

среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов, среда для существования и функционирования органоидов.

Основные положения современной клеточной теории:

клетка - основная единица строения, функционирования и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого, способная к самовоспроизведению, саморегуляции и самообновлению;

клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологиины) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

размножение клеток происходит путем их деления, каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервной и гуморальной регуляциям.

Эти положения доказывают единство происхождения всех живых организмов, единство всего органического мира. Благодаря клеточной теории стало понятно, что клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов.