18.Концепции структурных уровней организации живой материи

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации ее структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, которая складывается из биогеоценозов - областей с характерными природными условиями, заселенными определенными комплексами (биоценозами) организмов. Биоценозы состоят из популяций - совокупностей животных и растительных организмов одного вида, живущих на одной территории. Популяция состоит из особей. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими отраслями современной биологии.

1.Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул — биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. 2.Клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Свободно живущих неклеточных форм жизни не существует. 3.Тканевой. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции. 4.Органный. Органы — это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций; среди них наиболее значительная — защитная, т. е. функция отграничения внутренней среды организма от окружающей среды.

5.Организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. 6.Популяционно-видовой. 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. 7.Биогеоценотический. Биогеоценоз — совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами среды их обитания. 8.Биосферный. Биосфера — система высшего порядка, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходят круговорот вещества и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

А) Молекулярный уровень

На молекулярном уровне изучаются физико-химические процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.).  На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществами, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Изучено строение ряда белков и некоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическая энергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.) и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.).  Крупный успех биологии - открытие генетического кода. Наследственные свойства организма "записаны" в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), четырьмя видами чередующихся в определенной последовательности мономеров - нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам.  Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифунгирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хромостография). Взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений, содержащих радиоактивные атомы.

Б) Клеточный уровень

При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определенным образом подобранных и ориентированных молекул, биология поднимается на следующий уровень организации жизни - клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их разделы, а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка - основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются ее компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и ответственные за сохранение и передачу дочерними клетками наследственных свойств.  Энергетический обмен в клетке - дыхание, синтез АТФ и пр. - происходит в митохондриях. Поддержание химического состава клетки, активный транспорт веществ в нее и из нее, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функционирующее сочетание нескольких тканей - орган. Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития.  При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски. Электронная микроскопия позволяет различать очень мелкие структуры, вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма.

В) Организменный уровень

На уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи и определяющие согласованное функционирование ее органов и систем. Этот уровень исследуют физиология, эндокринология, иммунология, эмбриология и многие другие отрасли биологии. На этом уровне изучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную, эндокринную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и т. д. В организме функции разных органов связаны между собой: сердце - с легкими, одних мышц с другими и т. д.  В значительной мере эта взаимосвязь частей организма определяется функцией желез внутренней секреции. Так, поджелудочная железа и надпочечники через гормоны - инсулин и адреналин - регулируют накопление гликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципу обратной связи - одна железа (например, гипофиз) активирует функцию другой (например, щитовидной железы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постоянную концентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желез.  Еще более высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с ее центральными отделами, органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организм получает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатывается центральной нервной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма. Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получили электрофизиологические методы. Исследование высшей нервной деятельности животных и человека включает ее моделирование, в том числе с применением кибернетики.  На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли биологии изучают элементарную единицу эволюционного процесса - популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определенную территорию и в большей или меньшей степени изолированную от соседних таких же совокупностей. Подобная составная часть вида способна длительно существовать во времени и пространстве, самовоспроизводиться и трансформироваться. В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в нее организмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу.  Единство популяции определяется потенциальной способностью всех входящих в ее состав особей скрещиваться, а значит - и обмениваться генетическим материалом. Половое размножение, характерное для большинства обитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетического строения всех членов популяции, так и возможность многократного увеличения генетического разнообразия.  Для организмов, размножающихся бесполым путем (посредством вегетативного размножения), морфологическое единство популяций определяется общностью их генетического состава. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано и с молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами.

Г) Биоценотический и биосферный уровни

На биогеоценотическом и биосферном уровнях объектом изучения биогеоценологии, экологии, биогеохимии и других отраслей биологии служат процессы, протекающие в биогеоценозах (экосистемах) - элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. Каждая популяция существует в определенной среде и составляет часть многовидового сообщества - биоценоза, занимающего определенное место обитания - биотип. В этих сложных комплексах живых компонентов первичными продуцентами органического вещества служат фотосинтезирующие растения и хемосинтезирующие бактерии. Биогеоценозы - это те "блоки", в которых протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот. Обмен веществ между биогеоценозами осуществляется в газообразной, жидкой, твердой фазах. С биогеохимической точки зрения, миграции вещества в целях биогеоценозов могут рассматриваться как серии сопряженных процессов рассеивания и концентрирования вещества в организмах, почвах, водах и атмосфере.  Важное практическое значение приобрело во второй половине ХХ в. изучение биологической продуктивности биогеоценозов. Необходимость самостоятельного изучения биогеоценотического уровня организации живого обуславливается тем, что биогеоценозы - среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете. На этом уровне проводятся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения входящих в биогеоценозы компонентов, выясняющие миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических круговоротов. Такой широкий подход, дающий возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека, получает распространение и в форме Международной биологической программы, призванной координировать усилия биологов многих стран.  Концентрация биологических исследований по уровням организации живого предполагает взаимодействие различных отраслей биологии, что обогащает смежные науки новыми идеями и методами.