Уровни организации живой материи.
Определение жизни.
Жизнь –
1) «есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей тел» (Ф. Энгельс, «Анти-Дюринг»);
2) «это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Ф. Энгельс «Диалектика природы»);
3) «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот» (М. В. Волькенштейн);
4) «Жизнь – это функция взаимодействия белков и нуклеиновых кислот на Земле» (Дж. Бернал);
5) «жизнь в ее элементарной форме можно определить как способ существования открытых коллоидных систем, содержащих в качестве своих обязательных элементов соединения типа белка, нуклеиновых кислот и фосфорорганических веществ, обладающих свойствами самообновления, самовоспроизведения и саморегуляции на основе накопления и преобразования вещества, энергии и информации в процессе их взаимодействия с окружающей средой».
Свойства живого.
Таки образом, жизнь – это одна из форм существования материи. Живому характерен рядом свойств, которые отличают их от неживого.
Любая живая система обладает тремя фундаментальными свойствами: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция.
Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки – путем замены «износившихся», выполнивших свои функции (форменные элементы крови, клетки эпидермиса кожи и т. д.). При этом организмы используют вещества и энергию, которые поступают в клетки (поток вещества и энергии). Самообновление обеспечивают обмен веществ и энергии, реакции матричного синтеза, дискретность.
Самовоспроизведение – способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки - щенков. Из семян одуванчика опять вырастет одуванчик. Размножение и обеспечивает свойство самовоспроизведения. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях организации. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии, пластиды) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации (поток информации), заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности.
Саморегуляция – способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной и эндокринной – и основана на принципе обратных связей: сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Так, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы инсулина, уменьшающего содержание этого сахара в крови; снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (при пилинге, дермабразии кожи, в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления).
Из других свойства, характерных для живого, некоторые в той или иной мере похожи на процессы, протекающие в неживой природе.
Единство химического состава. Живые организмы достаточно четко отграничены от неживого своим химическим составом (нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и т. д.). Живые существа состоят из тех же элементов, что и объекты неживой природы. Но они образуют в организме сложные молекулы, в неживой природе не встречающиеся. Кроме того, различны и соотношения этих элементов в живом и неживом. Если элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д., то в живых организмах 98% химического состава приходится только на четыре элемента – углерод, азот, водород и кислород.
Обмен веществ и энергии. Это общее свойство всего живого представляет собой совокупность всех химических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих сохранение и воспроизведение жизни. Организм потребляет из окружающей среды вещества и энергию, использует их для обеспечения химических реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме. Организм – открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью переноса веществ и энергии из системы. Обмен веществ и энергии обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Другие признаки – рост, раздражимость, наследственность, изменчивость, размножение – все это результат обмена веществ и его проявление.
Наследственность. Заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК.
Изменчивость. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц – молекул ДНК – всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков, и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным. Следовательно, изменчивость – это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения молекул ДНК. Таким образом, самоудвоение молекул ДНК делает возможным не только сохранение у потомков наследственных особенностей родителей, но и отклонение от них, т. е. изменчивость, в результате которой организмы приобретают новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
Рост и развитие. Новый организм возникает из особо устроенных половых клеток и реализует полученную наследственную информацию в ходе роста и развития. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живых организмов представлено онтогенезом (индивидуальным развитием) и филогенезом (историческим развитием). На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма (проявление цвета глаз, способность держать голову, сидеть, ходить, появление зубов и т. д. у детей). Развитие сопровождается ростом – процессом увеличения количества клеток и накоплением массы внеклеточных образований в результате обмена веществ. Независимо от способа размножения (бесполое или половое) все дочерние особи образующиеся из одной зиготы, споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявлять те или иные признаки и свойства. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или филогенез (эволюция) – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.
Раздражимость. В процессе эволюции у организмов выработалось свойство избирательно реагировать на воздействия внешней среды – раздражимость. Всякое изменение условий среды, окружающих организм, представляет собой по отношению к организму раздражение, а его реакция на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. У растений – это тропизмы и настии, у протист – таксисы; реакции многоклеточных организмов - рефлексы, осуществляющиеся посредством нервной системы.
Дискретность и целостность. Дискретность – это всеобщее свойство материи: каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т. д.. Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время отдельный организм, или иная биологическая система (вид, биогеоценоз и др.), дискретен и целостен, т. е. состоит из отдельных изолированных (обособленных и отграниченных в пространстве), но в тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих функциональное единство. Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченночти, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида определяет возможность его эволюции путем гибели или устранения из размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.
Уровни организации живой материи.
Все живое на Земле характеризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной организации, начинающейся с гигантских полимерных молекул и продолжающийся на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ (вид, биогеоценоз, биосфера). Функционирование биологических систем на менее сложном уровне является необходимой предпосылкой осуществления свойств живого на более высоком уровне. Так, размножение (самовоспроизведение) на уровне многоклеточных организмов (человек) невозможно без репликации ДНК, деления клеток.
Биологические системы образуются из объединения множества компонентов в более крупные структурно-функциональные единицы, обладающие новыми свойствами, которые не встречаются по отдельности у их составных частей. Такие популяционный свойства, как длительное, в течение многих поколений, существование в среде, генофонд, возрастной и половой состав и др., отсутствуют у отдельных особей, составляющих эти популяции.
Все многообразие живой природы можно свести к пяти структурным уровням и выделить наиболее значимые биологические явления, специфичные данному уровню.
Уровень жизни – функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей «системе систем живого». Выделяют: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биосферно-биогеоценотический уровни организации.
Молекулярно-генетический уровень.
Любая живая система, вне зависимости от сложности организации, проявляется на уровне функционирования биополимеров – нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и др. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации.
Элементарная эволюционная единица – триплет нуклеотидов (кодон).
Элементарные эволюционные явления – репликация, рекомбинация, репарация, транскрипция, трансляция.
Этот уровень изучают науки: биохимия, биофизика, молекулярная биология, молекулярная генетика, вирусология, физиология, цитохимия, микробиология, используя следующие методы исследования: электрофорез, хроматография, ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, радиоизотопы, искусственное моделирование систем.
Клеточный уровень.
Клетка является структурной, функциональной единицей, а также единицей развития всего живого на Земле.
Элементарная эволюционная единица – клетка.
Элементарное эволюционное явление – деление клетки.
Строение клетки и внутриклеточных компонентов, связи и отношения между клетками в различных тканях и органах изучают науки: цитология, гистология, вирусология, микробиология, физиология при помощи методов: световая и электронная микроскопия, центрифугирование, авторадиография, культура тканей и др.
Онтогенетический (организменный) уровень.
Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Органы – это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей, выполняющих вместе целый ряд функций (кожа включает эпителиальную и соединительную ткани и вместе они выполняют ряд функций – защитную, барьерную, теплорегуляционную и др.). Ткани, в свою очередь, представляют собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции.
Элементарная эволюционная единица – организм.
Элементарное эволюционное явление – онтогенез организма и реализация наследственной информации.
Физиология, эндокринология, иммунология, эмбриология, экспериментальная морфология и другие отрасли биологии изучают процессы и явления, происходящие в организме, согласованное функционирование систем и органов, механизм работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношения органов, поведение организмов, приспособительные изменения и т. п. При этом используются методы: электрофизиологические, биохимические, компьютерного моделирования и др.
Популяционно- видовой уровень.
Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие элементарные эволюционные преобразования.
Элементарная эволюционная единица – популяция.
Элементарное эволюционное явление – изменение генофонда популяции.
Этот уровень изучают генетика, морфология, физиология, экология. Изучение состава и динамики популяций неразрывно связано молекулярно-генетическим, клеточным и онтогенетическим уровнями. Методами исследования являются методы тех наук, которые изучают поставленные на этом уровне вопросы.
Биосферно-биогеоценотический уровень.
Биосфера, как система высшего порядка, охватывающая все явления жизни на планете, представляет собой совокупность биогеоценозов. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов со всеми факторами среды их обитания.
Элементарная эволюционная единица – биогеоценоз
Элементарное эволюционное явление – круговорот веществ.
Процессы, происходящие в биогеоценозах, изучают биогеоценология, экология, биохимия, геоботаника и другие отрасли биологии. На этом уровне ведутся комплексные исследования взаимоотношения абиотических и биотических компонентов биогеоценоза, изучаются миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов.
5. Формы жизни: неклеточные и клеточные.
Живые организмы, существующие на Земле, в большинстве имеют клеточное строение. Однако встречаются и другие, неклеточные формы жизни – вирусы и бактериофаги.
Неклеточные формы жизни.
В 1892 г. Русский ученый Д. И. Ивановский обнаружил вирус табачной мозаики, а в 1917 г. Француз Ф. Д.’Эрель обнаружил бактериофаг – вирус, поражающий бактерии. Вирусы представляют собой простейшую форму жизни на Земле. Они занимают пограничное положение между неживой и живой природой и обладают инфекционными свойствами. Вирусы могут проявлять свойства живых организмов только попав в клетки про- и эукариот, и поскольку могут размножаться только в живой клетке хозяина, являются внутриклеточными паразитами.
Вирусы значительно меньше прокариот (20-300 нм) и различимы только в электронный микроскоп. У них отсутствует клеточное строение, обмен веществ и энергии. Вирусные частицы содержат только один вид нуклеиновых кислот – РНК (одна или две цепочки) или ДНК (одно- или двуцепочечная линейная). Вирусы не способны самостоятельно синтезировать белки, поскольку у них рибосом, и не растут. Способ размножения вирусов значительно отличается от размножения других организмов.
Известно более 3 000 вирусов, поражающих клетки тканей растений, животных и человека. В природе они распространены повсеместно.
Клеточные формы жизни.
Клеточные формы жизни представлены прокариотами и эукариотами.
Прокариоты (доядерные организмы) имеют размеры от 1 до 5 мкм, наиболее простой тип строения клетки:
- нет оформленного ядра;
- одна кольцевая молекула ДНК;
- слабо развита система внутренних мембран, отсутствуют органоиды мембранного строения (эндоплазматическая сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, центриоли);
- есть рибосомы;
- функции мембранных органоидов выполняют мезосомы.
- деление клеток осуществляется путем перетяжки, без образования веретена деления;
- клеточная стенка состоит из гликопротеида – муреина.
Прокариоты представлены бактериями и цианеями. Это наиболее древняя группа представителей органического мира: возраст пород, в которых обнаружены их споры, составляет 3,5 млрд. лет.
Эукариоты – это группа одно- и многоклеточных организмов, клетки которых, несмотря на многообразие форм и выполняемых функций имеют единый план строения: ядро, отграниченное от цитоплазмы ядерной мембраной: хорошо развитая сеть внутриклеточных мембран ( в наличии все органоиды мембранного строения); деление клеток митоз, мейоз, амитоз; у растений и грибов есть клеточная стенка. Размеры от 13 мкм до 10-20 см и более. Включают три группы организмов: растения, грибы, животные.
| Признак | Растения | Грибы | Животные |
| Тип питания | Первичные автотрофы, но могут быть вторичными гетеротрофами (росянка, венерина мухоловка) | Гетеротрофы (сапрофиты) | гетеротрофы |
| Запасание углеводов | крахмал | Гликоген | гликоген |
| Образ жизни | Как правило прикрепленный, но могут быть подвижными | Прикрепленный | Как правило свободноживущие, но могут быть прикрепленные (взрослые асцидии, коралловые полипы). |
| Клеточная стенка | В основном из целлюлозы, реже из хитина | В основном из хитина, реже из целлюлозы | Нет |
| Ответ на раздражение | Тропизмы и настии | Таксисы, рефлекс | |
| Рост | Неограничен | Неограничен | Ограничен генотипом |