Тема 12.
Особенности биологического уровня
организации материи
Биология – наука о живых организмах Земли
Прежде всего, следует определить критерии живого: чем живые
системы отличаются от неживых объектов?
1. Главный признак живого – способность к самовоспроизведению,
т.е. к размножению.
2. Способность к росту.
3. Обмен веществ и энергией с окружающей средой.
4. Ответная реакция на внешние раздражители.
5. Способность к распространению по всей планете.
Следует заметить, что для отнесения объекта к живому организму
должны выполняться все пять критериев, а не какой-либо один или
два. Например, к росту способны кристаллы, но они не являются жи-
выми организмами.
Концепции современного естествознания
49
Весьма важным моментом в изучении живых организмов долгое
время была их классификация. Как не утонуть в этом море разных
летающих, прыгающих, плавающих и т.д. особей? Первым класси-
фикатором живого в истории науки был Аристотель, разделивший
все живые организмы на растения и животных. Человека он отнес к
животным и дал ему очень любопытное определение: двуногое без
перьев.
В XVIII веке вершиной классификации стала система, созданная
шведским ученым К. Линнеем. Он ввел двойные латинские назва-
ния для более чем 8-ми тысяч растений, а также иерархию соподчи-
нения их групп: тип – класс – отряд – семейство – род – вид. Подроб-
ная «инвентаризация» животного мира содержалась в 44-томном
труде Ж. Бюффона «Естественная история». Заметим, что в этот пе-
риод (XVIII век) биология в основном носила терминологический,
описательный характер.
Подлинной революцией в биологии стало учение о клетке, создан-
ное уже в XIX веке немецкими биологами Т. Шванном и М. Шлейде-
ном. Вообще-то, первым увидел клетку в микроскоп в XVII веке Р.
Гук, но до подлинной клеточной теории было еще далеко. Открытию
Р. Гука предшествовало создание его современником, голландцем –
самоучкой А. Левенгуком замечательного прибора – микроскопа. Это
был прорыв в микромир живого (не путать с физическим микроми-
ром)!
Суть учения Шванна и Шлейдена состояла в следующем:
1. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – функцио-
нальная и структурная единица живого.
2. Все клетки сходны по строению и химическому составу и имеют
оболочку (мембрану), ядро и полужидкую среду между ядром и мем-
браной – цитоплазму. Чуть позже немецкий ученый Р. Вирхов вы-
сказал идею о том, что все клетки возникают только в результате де-
ления ранее существовавших клеток. Впоследствии в цитоплазме
обнаружили многочисленные тельца, выполняющие различные
функции (органоиды клетки). Далее выяснили, что клетки сложных
многоклеточных организмов специализированы и выполняют раз-
личные функции, образуя ткани.
Именно клеточная теория лежит в основе современной естествен-
ной классификации всего живого. Итак, живые организмы делятся
на неклеточные (вирусы) и клеточные (все остальные). Вирусы были
открыты в самом конце XIX века русским микробиологом Д.И. Ива-
новским (вирус табачной мозаики). Впоследствии выяснилось, что
Разумова Е.Р.
50
эти организмы – типичные паразиты, самостоятельно не питаются и
не размножаются, что заставило некоторых биологов призадуматься
– а живые ли они вообще? Вирусу необходимо проникнуть в чужую
клетку организма-хозяина, за счет нее он питается и размножается.
Вирусными заболеваниями являются грипп, гепатит и СПИД, кото-
рый справедливо считают «чумой ХХ и XXI века», поскольку лекар-
ства от него пока не найдено.
Все остальные организмы – клеточные, они подразделяются на
безъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). К прокариотам
относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.
Основоположником науки о прокариотах (микробиологии) был
французский ученый-химик Л. Пастер. Он первым создал экспери-
ментальную технику работы с популяциями бактерий (штаммами),
ему первому пришла в голову мысль о превентивных мерах борьбы с
инфекционными заболеваниями (вакцинах) и методах лечения уже
заболевших людей (сыворотки – это плазма крови уже переболевших
животных, содержащая спасительные антитела). Л. Пастеру челове-
чество обязано победой над чумой, холерой, сибирской язвой, бешен-
ством. Большой вклад в микробиологию внес также соперник и оп-
понент Л. Пастера немецкий врач Р. Кох.
Продолжателем дела, начатого Л. Пастером, был его ближайший
сотрудник, впоследствии лауреат Нобелевской премии русский уче-
ный И.И. Мечников, открывший явление иммунитета.
Следующий шаг в микробиологии был сделан английским ученым
А. Флемингом, нашедшим «волшебную пулю» против многих бакте-
рий – пенициллин. Началась эпоха антибиотиков – грибковых орга-
низмов, убивающих бактерии. Трудно переоценить значение откры-
тия А. Флеминга, за которое он был удостоен Нобелевской премии.
Антибиотики победили пневмонию, туберкулез, многие гнойничко-
вые инфекции. Огромные дозы специальных антибиотиков исполь-
зуют ныне для лечения онкологических заболеваний (химиотера-
пия).
Ядерные клеточные организмы – эукариоты – могут быть однокле-
точными (амебы, инфузории) и многоклеточными, которые в свою
очередь подразделяются на три царства – растения, грибы и живот-
ные.
Растения состоят в основном из углеводов (о химическом составе
живых клеток см. далее) и обладают уникальной способностью к
синтезу органических соединений (клетчатка, крахмал) из неорга-
нических – углекислого газа и воды. Побочным продуктом этой ре-
Концепции современного естествознания
51
акции является молекулярный кислород и называется она фотосин-
тезом. Механизм процесса фотосинтеза изучил и описал выдающий-
ся русский ученый К.А. Тимирязев.
Грибы состоят наполовину из углеводов, а наполовину из белков,
не обладают способностью к фотосинтезу и размножаются спорами,
клетками, которые в неблагоприятных условиях создают удивитель-
но прочную мембрану, надежно защищающую ее от внешних воздей-
ствий. В таком состоянии спора может находиться продолжительное
время до наступления лучших условий, тогда из нее начинает раз-
виваться новый организм. Бактерии также образуют споры, но толь-
ко для защиты, размножаются они простым делением.
Животные – подвижные эукариоты, состоящие в основном из бел-
ков (неподвижные – кораллы, ведущие сидячий образ жизни). Раз-
дел биологии, появившийся в ХХ веке и изучающий поведенческие
механизмы животных, называется этологией. Ее основоположник –
австрийский ученый К. Лоренц. Этологи считают, что в основе пове-
дения животных, живущих в свободных условиях, лежат четыре ин-
стинкта, направленных на сохранение вида: голода, половой, агрес-
сии и страха.
Химический состав живой клетки
Живые организмы состоят из неорганических (вода и минераль-
ные соли) и органических веществ, подразделяющихся на 4 группы:
белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и жиры. Первые три группы
имеют полимерную структуру и поэтому называются биополимера-
ми. Многие их свойства аналогичны свойствам синтетических поли-
меров, только состав элементарного звена существенно сложнее.
Белки – это азотсодержащие биополимеры, имеющие четыре уров-
ня структуры. Элементарным звеном их первичной структуры явля-
ются полипептиды, состоящие из 20-ти аминокислот, называемых
«золотыми». Свойства белка прежде всего определяются последова-
тельностью этих аминокислот, что и обуславливает колоссальное
разнообразие белков: число сочетаний из 20 по 20 – это огромная ве-
личина (лишний раз подтверждается верность структурной теории
А.М Бутлерова!). Число повторяющихся звеньев в цепи может дости-
гать нескольких тысяч, поэтому молекулярные массы белков столь
велики. Вторичная структура белков – это полипептидная цепочка,
закрученная в спираль; некоторые белки (коллаген, фибриноген)
функционируют в виде такой закрученной спирали. Третичная
Разумова Е.Р.
52
структура – это спираль, упакованная в глобулу (шарик), она «сши-
вается» дисульфидными связями и характерна для большинства
белков (альбумины, глобулины и др.). Некоторые белки (гемоглобин)
имеют четвертичную структуру – несколько связанных друг с другом
глобул, между которыми находится, например, металл (в гемоглоби-
не это атом железа).
Белки являются основным строительным материалом животных
организмов. Многие ферменты (катализаторы биохимических реак-
ций) также являются белками. Кроме того, белки выполняют транс-
портную, защитную, двигательную и энергетическую функции.
Углеводы – это биополимеры, в которых элементарным звеном яв-
ляется глюкоза. Одна из разновидностей углеводов – клетчатка –
является строительным материалом растительных организмов, дру-
гая – крахмал – запасается в виде питательного вещества.
Важнейшими из биополимеров являются нуклеиновые кислоты.
Их название обусловлено тем, что они находятся в клеточном ядре
(латинский корень «нуклео» означает ядро). Элементарным звеном в
нуклеиновых кислотах являются нуклеотиды, состоящие из фосфата,
азотистого основания и пятиуглеродного моносахарида – рибозы или
дезоксирибозы. Различают два вида нуклеиновых кислот: РНК (ри-
бонуклеиновая кислота, содержит рибозу) и ДНК (дезоксирибонук-
леиновая кислота, содержит дезоксирибозу).
Молекула РНК контролирует биосинтез белков в клетке (в лабора-
тории такой синтез занимает несколько месяцев, в живой клетке –
несколько минут; природа еще намного умнее нас). Молекула ДНК
выполняет две жизненно важных для клетки функции: она обуслав-
ливает размножение, а также хранит и передает потомству наслед-
ственную информацию. Вторичная структура молекулы ДНК была
впервые расшифрована английскими учеными Дж. Уотсоном и Ф.
Криком и представляет собой сплетенную из двух ветвей двойную
спираль полинуклеотидов. Под действием ферментов двойная спи-
раль может расплетаться, и каждая из ветвей достраивает себе пару
из имеющегося в клетке материала. Это свойство называется редуп-
ликацией ДНК, и именно с этого процесса начинается функциониро-
вание любого живого организма. За открытие структуры ДНК Дж.
Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии.
Концепции современного естествознания
53
Уровни организации живых систем
Живые организмы являются открытыми, неравновесными, само-
воспроизводящимися и саморегулирующимися системами, проходя-
щими путь необратимого развития. Эти системы имеют восемь уров-
ней организации. Первый и второй мы уже рассмотрели – это моле-
кулярный и клеточный уровни. На этих уровнях все живые организ-
мы удивительно сходны по строению и функционированию. Третий
уровень – тканевый. Ткань – это совокупность сходных по строению
клеток, выполняющих общую функцию. На этом уровне также со-
храняется сходство всего живого: всего пять основных тканей обра-
зуют организмы многоклеточных животных и шесть – органы расте-
ний. Следующий уровень – системно-органный. Системы органов
образуются совместно функционирующими клетками, относящимися
к разным тканям (примеры – системы органов пищеварения, выде-
ления, размножения и т.д.). Организменный уровень связан с дея-
тельностью всего организма как целого. Эта деятельность у живот-
ных управляется двумя системами – нервной и гуморальной (по-
следняя – это совокупность гормонов, растворимых органических
веществ, являющихся, как правило, специфическими белками). Еди-
ницей этого уровня является особь – живая система с момента ее
зарождения до смерти. На организменном уровне проявляется уди-
вительное разнообразие всего живого.
Шестой уровень организации – популяционно-видовой – связан с
совокупностью организмов одного вида, объединенных общим местом
обитания и составляющих популяцию. Несколько популяций обра-
зуют вид. Видом называют совокупность особей, сходных по строе-
нию, физиологическим и биохимическим свойствам, имеющих общее
происхождение, способных свободно скрещиваться и давать плодови-
тое потомство. Седьмой уровень – экосистемный. Экосистемой назы-
вается совокупность всех живых организмов, населяющих однород-
ный участок земной поверхности и связанных трофическими (пище-
выми) цепями, вместе со средой их обитания.
Любая экосистема (лес, река, луг, болото) является единым при-
родным комплексом. Характерными свойствами экосистем являются
их устойчивость и способность к самовоспроизведению.
Последний – восьмой уровень – биосферный. Биосфера – это сово-
купность всех экосистем Земли, система высшего порядка, зани-
мающая все геосферные земные оболочки. Учение о биосфере было
разработано выдающимся русским ученым В.И. Вернадским, о нем
Разумова Е.Р.
54
будет сказано отдельно. Только при комплексном изучении жизнен-
ных явлений на всех уровнях можно получить целостное представ-
ление о биологической форме существования материи.
Таким образом, биология прошла путь от терминологической, опи-
сательной науки, какой она была в XVIII веке, до подлинного лидера
в естествознании, каким она стала к концу ХХ века.
Контрольные вопросы по Теме 12:
1. Что такое прокариоты и эукариоты?
2. Кто был основоположником микробиологии?
3. Кто создал клеточную теорию и в чем ее суть?
Литература: 2, 5, 9, 21, 24.