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.