Рассмотрите рисунки 5-9. Из каких частей состоят такие биологические системы, как клетка, орга низм, сообщество организмов? Вспомните, какие химические соединения входят в состав организмов.

Рис. 5. Молекулярно-генетический уровень

Окружающая нас живая природа представляет собой биологические системы разных уровней организации и сложности. По наличию специфических структурно-функциональных единиц жизни и процессов, происходящих с ними, можно выделить шесть основных уровней живой природы: молекулярно-генетический, органоид-но-клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный (рис. 5-10).

Любая биологическая система всегда состоит из молекул нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, а также других соединений. Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни является ген - участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), несущий наследственную информацию о структуре одного белка.

На молекулярно-генетическом уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности - кодирование, передача и реализация наследственной информации. На этом же уровне организации жизни осуществляется процесс изменения наследственной информации.

Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит клетка. Из клеток и межклеточного вещества состоят ткани, а ткани образуют органы и системы органов. Отдельная клетка состоит из органоидов - внутриклеточных структур, образованных молекулами органических и неорганических веществ.

Рис. 6. Органоидно-клеточный уровень

На органоидно-клеточном уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности: обмен веществ и превращение энергии в клетке, ее рост, развитие и деление. Следует подчеркнуть, что клетка, которая может выступать и как целостный организм, т. е. самостоятельная и автономная живая система.

Структурно-функциональная единица этого уровня организации жизни - организм. Он может быть одноклеточным, многоклеточным, или представлять из себя колонию.

На организменном уровне протекают процессы жизнедеятельности, обеспечивающие существование каждой особи как самостоятельной живой системы - питание, дыхание, выделение, размножение, рост, развитие и др. Целостность этой системы, т. е. организма, поддерживается взаимосвязью образующих его частей, выполняющих различные функции.

На этом же уровне организации жизни происходит реализация генетической программы организма и его самовоспроизведение. Взаимодействие со средой приводит к появлению у организмов изменчивости. Размножение организмов, осуществляющееся разными путями, обеспечивает не только самовоспроизведение жизни на этом уровне, но и комбинирует признаки родительских особей, участвовавших в размножении, в соответствии с законами наследственности.

Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит вид организма, представленный в природе живущими на определенной территории особями, связанными родственными связями - популяциями. В популяциях на основе наследственной изменчивости выживают наиболее приспособленные особи, обладающие полезными при определенных условиях признаками. От этих особей постепенно в ходе исторического развития органического мира образуются новые виды организмов, т. е. происходит видообразование.

Рис. 7. Организменный уровень

Популяции разных видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вместе с условиями неживой среды, например светом, влагой, воздухом, образуют биогеоценоз. В нем между живыми организмами и неживой природой устанавливаются различные взаимосвязи. В результате изменений, вызванных деятельностью живых организмов или влиянием неживой природы, постепенно одни биогеоценозы превращаются в другие, т. е. происходят их развитие и смена.

Рис. 8. Популяционно-видовой уровень

Все биогеоценозы нашей планеты образуют - биосферу, т. е. оболочку Земли, населенную и активно преобразуемую организмами. В ней происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии), а также изменения, связанные с эволюцией живой природы и вызванные деятельностью человека.

Рис. 9. Биогеоценотический уровень

Таким образом, жизнь на нашей планете представляет собой открытые для веществ, энергии и информации саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы различного ранга (ген, клетка, организм, вид, популяция, биогеоценоз, биосфера), объединенные происходящими в них процессами жизнедеятельности и развития.

Рис. 10. Биосферный уровень

Упражнения по пройденному материалу

1. На основании чего в современной науке сложилось представление об уровнях организации жизни?
2. Что является структурно-функциональной единицей каждого уровня организации жизни?
3. Какие про цессы жизнедеятельности происходят на каждом уровне организации жизни?

1) Основателем экологии считается немецкий биолог Э. Геккель (1834- 1919 гг.), который впервые в 1866 г. употребил термин «экология». Он писал: «Под экологией мы подразумеваем общую науку об отношении организма и окружающей среды, куда мы относим все "условия существования" в широком смысле этого слова. Они частично являются органической частично неорганической природы».

Первоначально этой наукой была биология, изучающая популяции животных и растений в среде их обитания.

Экология изучает системы уровня выше отдельного организма. Основными объектами ее изучения являются:

популяция - группа организмов, относящихся к одному или сходным видам и занимающих определенную территорию;

экосистема , включающая биотическое сообщество (совокупность популяций на рассматриваемой территории) и среду обитания;

биосфера- область распространения жизни на Земле.

Взаимодействие Человека с Природой имеет свою специфику. Человек наделен разумом, и это дает ему возможность осознать свое место в природе и предназначение на Земле. С начала развития цивилизации Человек задумывался о своей роли в природе. Являясь, безусловно, частью природы, человек создал особую среду обитания, которая называется человеческой цивилизацией. По мере развития она все больше вступала в противоречие с природой. Сейчас человечество уже подошло к осознанию того, что дальнейшая эксплуатация природы может угрожать его собственному существованию. Цели и задачи современной экологии

Одной из главных целей современной экологии как науки является изучение основных закономерностей и развитие теории рационального взаимодействия в системе «человек - общество - природа», рассматривая человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

Главнейшая цель современной экологии на данном этапе развития человеческого общества - вывести Человечество из глобального экологического кризиса на путь устойчивого развития, при котором будет достигнуто удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколении.

Для достижения этих целей экологической науке предстоит решить ряд разнообразных и сложных задач, в том числе:

разработать теории и методы оценивания устойчивости экологических систем на всех уровнях;

исследовать механизмы регуляции численности популяций и биотического разнообразия, роли биоты (флоры и фауны) как регулятора устойчивости биосферы;

изучить и создать прогнозы изменений биосферы под влиянием естественных и антропогенных факторов;

оценивать состояния и динамики природных ресурсов и экологических последствий их потребления;

разрабатывать методы управления качеством окружающей среды;

формировать понимание проблем биосферы и экологическую культуру общества.

Окружающая нас живая среда не является беспорядочным и случайным сочетанием живых существ. Она представляет собой устойчивую и организованную систему, сложившуюся в процессе эволюции органического мира. Любые системы поддаются моделированию, т.е. можно предсказать, как та или иная система отреагирует на внешнее воздействие.Системный подход - основа изучения проблем экологии. Место экологии в системе естественных наук. Современная экология относится к тому типу наук, которые возникли на стыке многих научных направлений. Она отражает как глобальность современных задач, стоящих перед человечеством, так и различные формы интеграции методов направлений и научного поиска. Превращение экологии из сугубо биологической дисциплины в отрасль знания, включившую также общественные и технические науки, в сферу деятельности, основанную на решении ряда сложнейших политических, идеологических, экономических, этических и других вопросов, обусловило ей значительное место в современной жизни, сделало ее своеобразным узлом, в котором объединяются различные направления науки и человеческой практики. Экология, на мой взгляд, все больше становится одной из наук о человеке и интересует многие научные направления. И хотя этот процесс еще весьма далек от завершения, его основные тенденции уже достаточно отчетливо просматриваются в наше время.

2) Предмет, задачи и методы экологии Экология (греч. oikos - жилище, местопребывание, logos - наука)- биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Объектами экологии являются преимущественно системы выше уровня организмов, т. е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т. е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания.

Задачи экологии меняются в зависимости от изучаемого уровня организации живой материи. Популяционная экология исследует закономерности динамики численности и структуры популяций, а также процессы взаимодействий (конкуренция, хищничество) между популяциями разных видов. В задачи экологии сообществ (биоценологии) входит изучение закономерностей организации различных сообществ, или биоценозов, их структуры и функционирования (круговорот веществ и трансформация энергии в цепях питания).

Главная же теоретическая и практическая задача экологии - раскрыть общие закономерности организации жизни и на этой основе разработать принципы рационального использования природных ресурсов в условиях все возрастающего влияния человека на биосферу.

В круг проблем экологии включены также вопросы экологического воспитания и просвещения, морально-этические, философские и даже правовые вопросы. Следовательно, экология становится наукой не только биологической, но и социальной. Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования. 3) В истории развития экологии как науки можно выделить три основных этапа.Первый этап - зарождение и становление экологии как науки (до 1960-х годов), когда накапливались данные о взаимосвязи живых организмов со средой их обитания, были сделаны первые научные обобщения. В этот же период французский биолог Ламарк и английский священник Мальтус впервые предупреждают человечество о возможных негативных последствиях воздействия человека на природу.

Второй этап - оформление экологии в самостоятельную отрасль знаний (после 1960-х до 1950-х годов). Начало этапа ознаменовалось выходом в свет работ русских ученыхК.Ф. Рулье, Н.А. Северцева, В.В. Докучаева, впервые обосновавших ряд принципов и понятий экологии. После исследований Ч. Дарвина в области эволюции органического мира немецкий зоолог Э. Геккель первый понял, что Дарвин называл «борьбой за существование», представляет собой самостоятельную область биологии,и назвал ее экологией (1866 г.).

Как самостоятельная наука экология окончательно оформилась в начале XX столетия. В этот период американский ученый Ч. Адаме создал первую сводку по экологии, публикуются и другие важные обобщения. Крупнейший русский ученый XX в. В.И. Вернадский создает фундаментальноеучение о биосфере.

В 1930-1940-е годы сначала английский ботаник А. Тенсли (1935 г.) выдвинулпонятие «экосистема» , а несколько позжеВ. Я. Сукачев (1940 г.) обосновал близкое ему представлениео биогеоценозе.

Третий этап (1950-е годы - до настоящего времени) - превращение экологии в комплексную науку, включающую в себя науки об охране окружающей человека среды. Одновременно с развитием теоретических основ экологии решались и прикладные вопросы, связанные с экологией.

В нашей стране в 1960-1980-е годы практически ежегодно правительство принимало постановления об усилении охраны природы; были изданы земельный, водный, лесной и иные кодексы. Однако, как показала практика их применения, они не дали требуемых результатов.

Сегодня Россия переживает экологический кризис: около 15% территории фактически являются зонами экологического бедствия; 85% населения дышат воздухом, загрязненным существенно выше ПДК. Растет число «экологически обусловленных» заболеваний. Наблюдается деградация и сокращение природных ресурсов.

Аналогичное положение сложилось и в других странах мира. Вопрос о том, что произойдет с человечеством в случае деградации природных экологических систем и утраты биосферой способности поддерживать биохимические циклы, становится одним из наиболее актуальных.

4) 1. Молекулярный уровень организации живой природы

Химический состав клеток: органические и неорганические вещества,

Обмен веществ(метаболизм): процессы диссимиляции и ассимиляции,

поглощение и выделение энергии.

Молекулярный уровень затрагивает все биохимические процессы, которые происходят внутри любого живого организма - от одно- до многоклеточных.

Этот уровень сложно назвать «живым» . Это скорее «биохимический» уровень - поэтому он является основой для всех остальных уровней организации живой природы. Поэтому именно он лег в основу классификации Живой природына царства - какоепитательное вещество является основным у организма:у животных - белок, у грибов - хитин, у растений это- углеводы.

Науки, которые изучают живые организмы именно на этом уровене:

2. Клеточный уровень организации живой природы

Включает в себя предыдущий - молекулярный уровень организации.

На этом уровне уже появляется термин «клетка» как «мельчайшая неделимая биологическая система»

Обмен веществ и энергии данной клетки (разный в зависимости от того, к какому царству принадлежит организм);

Органойды клетки;

Жизненные циклы - зарождение, рост и развитие и деление клеток

Науки, изучающие клеточный уровень организации :

Генетика и эмбриология изучают этот уровень, но это не основной объект изучения.

3. Тканевый уровень организации:

Включает в себя 2 предыдущих уровня - молекулярный и клеточный .

Этот уровень можно назвать « многоклеточным » - ведь ткань представляет собой совокупность клеток со сходным строением и выполняющих одинаковые функции.

Наука - Гистология

4. Органнный (ударение на первый слог) уровень организации жизни

У одноклеточных органы - это органеллы - есть общие органеллы - характерные для всех эукариотическихили прокариотических клеток, есть отличающиеся.

У многоклеточных организмов клетки общего строения и функций объединены в ткани, а те, соответственно, в органы, которые, в свою очередь, объединены в системы и должны слаженно взаимодействовать между собой.

Тканевый и органный уровни организации - изучают науки:

5. Организменный уровень

Включает в себя все предыдущие уровни: молекулярный , клеточный, тканевый уровни и органный .

На этом уровне идет деление Живой природы на царства - животных, растений и грибов.

Характеристики этого уровня:

Обмен веществ (как на уровне организма, так и на клеточном уровне тоже)

Строение (морфология) организма

Питание (обмен веществ и энергии)

Гомеостаз

Размножение

Взаимодействие между организмами (конкуренция, симбиоз и т.д.)

Взаимодействие с окружающей средой

6. Популяционно-видовой уровень организации жизни

Включает молекулярный , клеточный, тканевый уровни, органный и организменный .

Если несколько организмов схожи морфологически (проще говоря, одинаково устроены), и имеют одинаковый генотип, то они образуют один вид или популяцию.

Основные процессы на этом уровне:

Взаимодействие организмов между собой (конкуренция или размножение)

микроэволюция (изменение организма под действием внешних условий)

Науки, изучающие этот уровень:

7. Биогеоценотический уровень организации жизни

На этом уровне уже учитывается почти все:

Пищевое взаимодействие организмов между собой - пищевые цепи и сети

Меж- и внутривидовое взаимодействие организмов - конкуренция и размножение

Влияние окружающей среды на организмы и, соответственно, влияние организмов на среду их обитания

Наука, изучающая этот уровень - Экология

Ну и последний уровень - высший!

8. Биосферный уровень организации живой природы

Он включает в себя:

Взаимодействие, как живых, так и неживых компонентов природы

Биогеоценозы

Влияние человека - «антропогенные факторы»

Круговорот веществ в природе

5) Экологическая система, или экосистема, - основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и

неживая среда - компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле. Терминэкосистема впервые был предложен в 1935 г. английским экологомА. Тенсли.

Таким образом, под экосистемой понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту веществ, устойчивую систему жизни.

Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально- энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода.

В любом конкретном месте обитания запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков.

Следовательно, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

Рис. 8.1. Структура биогеоценоза и схема взаимодействия между компонентами

В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г.B. Н Сукачевым. По его определению, биогеоценоз - «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии».

В биогеоценозе В.Н. Сукачев выделял два блока:экотоп - совокупность условий абиотической среды ибиоценоз - совокупность всех живых организмов (рис. 8.1). Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп - как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов.

Существует мнение, что термин «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается, прежде всего, ее функциональная сущность. Фактически же между этими терминами различий нет.

Следует указать, что совокупность специфического физико-хи- мического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему:

Экосистема = Биотоп + Биоценоз.

Равновесное (устойчивое) состояние экосистемы обеспечивается на основе круговоротов веществ (см. п. 1.5). В этих круговоротах непосредственно участвуют все составные части экосистем.

Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо наличие запаса неорганических веществ в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Продуценты

Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы.

Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов в течение жизни, выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена - консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.

Масштабы экосистемы в природе весьма различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т.е. многократность вовлечения одних и тех же элементов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т.п.).

Экосистема - практически замкнутая система. В этом состоит принципиальное отличие экосистем от сообществ и популяций, являющиеся открытыми системами, обменивающимися со средой обитания энергией, веществом и информацией.

Однако ни одна экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота, поскольку минимальный обмен массой со средой обитания все-таки происходит.

Экосистема является совокупностью взаимосвязанных энергопотребителей, совершающих работу по поддержанию ее неравновесного состояния относительно среды обитания за счет использования потока солнечной энергии.

В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Как уже отмечалось, запасы биогенных элементов, необходимых для жизни организмов на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности, небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни.

Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы - древнейшее свойство жизни.

С этой точки зрения устойчивое существование многих видов в экосистеме достигается за счет постоянно происходящих в ней естественных нарушений местообитаний, позволяющих новым поколениям занимать вновь освободившееся пространство.

Экосистема (экологическая система) - основная функциональная единица экологии, представляющая собой единство живых организмов и среды их обитания, организованное потоками энергии и биологическим круговоротом веществ. Это фундаментальная общность живого и среды его обитания, любая совокупность совместно обитающих живых организмов и условий их существования (рис. 8).

Рис. 8. Различные экосистемы: а - пруда средней полосы (1 - фитопланктон; 2 - зоопланктон; 3 - жуки-плавунцы (личинки и взрослые особи); 4- молодые карпы; 5 - щуки; 6 - личинки хорономид (комаров-дергунцов); 7- бактерии; 8 - насекомые прибрежной растительности; б - луга (I - абиотические вещества, т.е. основные неорганические и органические слагаемые); II- продуценты (растительность); III- макроконсументы (животные): А - травоядные (кобылки, полевые мыши и т.д.); В - косвенные или питающиеся детритом консументы, или сапробы (почвенные беспозвоночные); С- «верховые» хищники (ястребы); IV- разлагатели (гнилостные бактерии и грибы)

С функциональной точки зрения экосистему целесообразно анализировать в следующих направлениях:

1) потоки энергии;

2) пищевые цепи;

3) структура пространственно-временного разнообразия;

4) биогеохимические круговороты;

5) развитие и эволюция;

6) управление (кибернетика);

Можно также классифицировать экосистемы по:

· Структуре;

· Продуктивности;

· Устойчивости;

Типы экосистем (по Комову):

· Аккумулятивные (верховые болота);

· Транзитные (мощный вынос вещества);

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?

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.

Вся живая природа представляет собой совокупность биологических систем разного уровня организации и различной соподчинённости.
Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которое данная биологическая структура занимает в общей системе организации природы.

Уровень организации живой материи - это совокупность количественных и качественных параметров определенной биологической системы (клетка, организм, популяция и т.д.), которые определяют условия и границы ее существования.

Выделяют несколько уровней организации живых систем, которые отражают соподчинённость, иерархичность структурной организации жизни.

• Молекулярный (молекулярно-генетический) уровень представлен отдельными биополимерами (ДНК, РНК, белками, липидами, углеводами и другими соединениями); на этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ. Этим занимается наука - молекулярная биология.
• Клеточный уровень - уровень, на котором жизнь существует в форме клетки - структурной и функциональной единицы жизни, изучает цитология. На этом уровне изучаются такие процессы, как обмен веществ и энергии, обмен информацией, размножение, фотосинтез, передача нервного импульса и многие другие.

Клетка - структурная единица всего живого.

• Тканевый уровень изучает гистология.

Ткань - это совокупность межклеточного вещества и сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям клеток.

• Органный уровень . Орган включает в свой состав несколько тканей.
• Организменный уровень - самостоятельное существование отдельной особи - одноклеточного или многоклеточного организма изучают например, физиология и аутэкология (экология особей). Особь как целостный организм представляет собой элементарную единицу жизни. В другой форме жизнь в природе не существует.

Организм - это реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее свойствами.

• Популяционно-видовой уровень - уровень, который представлен группой особей одного вида - популяцией; именно в популяции происходят элементарные эволюционные процессы (накопление, проявление и отбор мутаций). Этот уровень организации изучают такие науки как демэкология (или популяционная экология), эволюционное учение.

Популяция - это совокупность особей одного вида, длительно существующих на определенной территории, свободно скрещивающихся и относительно изолированных от других особей того же вида.

• Биогеоценотический уровень - представлен сообществами (экосистемами), состоящими из разных популяций и среды их обитания. Этот уровень организации изучает биоценология или синэкология (экология сообществ).

Биогеоценоз - это совокупность всех видов с различной сложностью организации и всех факторов среды их обитания.

• Биосферный уровень - уровень, представляющий совокупность всех биогеоценозов. В биосфере происходит круговорот веществ и превращение энергии с участием организмов.