Биология - (от греч. Bios - жизнь и logos - наука), учение о жизни, термин, употребляемый и в широком значении, в смысле объединения в нем всего, что известно и что можно узнать относительно жизни, и иногда в более узком значении как наука об образе жизни. Однако, для науки, изучающей образ жизни животных и растений в связи с условиями среды, есть более точное обозначение - экология (oikos - жилище, среда жизни). В настоящее время биология распадается на большое число специальных наук, как зоология, ботаника, морфология, физиология, систематика, экология и т. д. Учение о жизни, которое объединяет все эти специальные науки, может быть обозначено как общая биология.

История биологии.

Древняя история имела одного биолога - Аристотеля (384-322 до хр. эры). Он создал стройное всеохватывающее биол. учение, которое господствовало нераздельно две тысячи лет. Оно было принято и христианской религией; церковники в течение многих веков слепо придерживались его и отступление от него считали ересью. В наст, время миллионные массы разных стран принимают в той или иной форме, может быть, сами того не подозревая, Аристотелеву биологию. Многие ученые гуманисты до сих пор находятся под обаянием биологии Аристотеля; и среди биологов XX в. раздаются голоса: «назад к Аристотелю». Аристотель не только использовал материал, более или менее знакомый каждому наблюдателю (земледельцу, охотнику, рыбаку), но и сам много наблюдал и, по-видимому, вскрывал животных. Этот материал он объединил в стройную логическую систему. Основные особенности логического мышления Аристотеля были, по-видимому, типичны для современной ему греческой расы; широко распространены они и в наше время. Основным элементом познания для Аристотеля является факт собственного субъективного сознания: образное мышление и стремление к определенной цели. Эту собственную душу - «психэ»- он отождествляет с жизнью и переносит ее во внешний мир, где душа организует мертвое однородное вещество. Каждое животное или растение состоит из вещества и души, которая придает веществу форму и целесообразность совершенно так же, как скульптор из однородного воска создает статую определенной формы. Жизнь есть везде там, где налицо форма и целесообразность. Она есть в воздухе, воде и земле, а потому живые организмы могут зарождаться сами повсюду: мыши и лягушки возникают из грязи. По-видимому, то, что современная физика называет силой, энергией, представлялось Аристотелю (в отличие от «вещества») «жизненной силой», душой, наделенной способностью образовывать из вещества целесообразные формы. Эту способность Аристотель называет энтелехией (от греч.

еn - внутри, telos - цель и echo - имею). Поэтому пределы жизни для Аристотеля представлялись гораздо более широкими, чем для современного биолога, захватывая и неорганический мир. Изучать органы для Аристотеля значит угадывать их энтелехию - целесообразное назначение, так как форма - душевное начало - связана тесно с целью. Физиологические представления Аристотеля нередко первобытно наивны. Седалищем души он считает горячее сердце. Мозг не может быть центром души, так как это самая холодная часть тела, и он только умеряет излишнюю теплоту сердца. Значение почек, печени и некоторых других органов намечены с большой проницательностью. Однако, у животных, лишенных крови (насекомых), Аристотель почему-то вовсе не находит внутренностей. Дуалистическое учение Аристотеля о жизни есть полная философская система, развившаяся из примитивного анимизма первобытного человека, который также одушевляет все предметы внешнего мира. Когда после средневекового периода снова начался расцвет науки, биологи XVI - XVII в.в. выступают как последователи Аристотеля и развивают его учение. Но одновременно возникает новое машинистическое направление - сначала в астрономии и физике (Кеплер, Галилей), а затем и в биологии. Представители этого направления обнаруживают совершенно новый тип логического мышления. Они все - математики и физики. Отправным пунктом для них является учение о количественных отношениях между явлениями природы. Там, где Аристотель видел лишь разнообразные бесчисленные качества тел, они стремятся найти только количественные различия. Целесообразное толкование явлений природы их не удовлетворяет; объяснять для них обозначает открывать не цели, а причины явлений. В биологии этот метод проводит Р. Декарт (1596—1649). Для Декарта живое существо есть такое же природное тело, как и другие, и он сравнивает его с часовым механизмом или с гидравлическими установками, которые приводят в движение различные машины и автоматы, играющие на разных музыкальных инструментах и даже выговаривающие слова. Он решительно отделяет понятие о жизни от понятия о душе. Животные для него только автоматы, очень сложно построенная машина; только для человека (отдавая дань времени) он считает необходимым, согласно верованиям господствующей религии, признать наличие души. Энтелехизм Аристотеля и машинизм Декарта являются двумя резко противоположными воззрениями на жизнь.

Но и в наши дни, когда эмпирическая биология достигла огромных успехов, оба учения, вернее, оба типа логического мышления, продолжают существовать рядом друг с другом. В настоящее время только немногие, наиболее сложные, биологические проблемы, как явления психической жизни и история развития организма из яйца, еще не всегда поддаются окончательно анализу и позволяют утверждать, что не все жизненные явления могут быть сведены к причинам того же порядка, которые действуют в неживой природе. Но и в этих областях каждый год, с каждой новой экспериментальной работой, расширяется применение материалистического объяснения и суживается возможность говорить об его недостаточности.

Биология была единой наукой и не было необходимости разделять ее на части. Более того, она сама не выделялась как нечто обособленное из одной общей науки - философии: и Аристотель и Декарт были философами, а не биологами в современном смысле. Обособление биологии и ее расчленение на отдельные науки произошло постепенно, вследствие запросов практической жизни. Прежде всего, медицина требовала ознакомления с устройством человеческого тела. Однако в течение долгого времени медики не решались вскрывать человеческий труп; анатомия древних веков основывалась, главным образом, на вскрытии животных. Только в эпоху Возрождения был преодолен страх перед вскрытием трупов; врачи (более всего Везалий, 1514 - 64), а также художники (Леонардо да Винчи), подходившие к анатомии со своей точки зрения, стали составлять по собственным наблюдениям атласы анатомии человеческого тела. Если для художников описание формы различных частей тела представлялось главной и самостоятельной целью, то медики неразрывно соединяли с описанием органов и попытки понять назначение органов, их функцию. Поэтому медицинская анатомия с самого начала стояла в самой тесной связи с физиологией, т. е. с изучением жизненных отправлений органов. Одним из первых блестящих открытий физиологии явилось установление англ. медиком В. Гарвеем (1578 - 1657) факта кровообращения, которое он наблюдал и доказал при помощи экспериментов над живыми животными. Этими опытами было положено начало индуктивной, основанной на опытах (экспериментальной) физиологии, хотя еще долгое время после Гарвея биологи пользовались для угадывания функций органов и дедуктивным методом. С именем Гарвея связан также первый экспериментальный подход к проблеме физиологии размножения и развития. Он первый тщательно проследил развитие цыпленка из яйца и показал, что зародыш развивается из части желтка. Он высказал далее уверенность, основанную на наблюдениях, что большинство и других животных развивается из яиц. Но особенно велика заслуга в этом отношении итальянского врача Ф. Реди (1626 - 94), который наблюдал, как мухи откладывают свои яйца на гниющее мясо, в котором из яиц развиваются личинки, превращающиеся позднее в мух. Этими наблюдениями был нанесен сильный удар господствовавшему в то время учению Аристотеля, что мухи и другие низшие животные (лягушки, мыши) зарождаются сами собой из грязи и ила. Мало-помалу в ближайшие века установилось основное положение современной биологии, что все животные происходят из яйца - «omne vivum ex ovo»; старое учение Аристотеля о самопроизвольном зарождении было оставлено. К XVII же веку относится и открытие микроскопа. К биологическому исследованию его применил впервые англ. физик Р. Гук (1635—1703), первый изучивший при помощи микроскопа пористое строение пробки и нашедший, что последняя состоит из мельчайших камер, которым он дал название - клетка (cellula). Учению о клетке, цитологии (от kytos - пузырек, клетка), суждено было сыграть огромную роль в Б. XIX века; в настоящее время клетка является в наших глазах основой всякой жизни. Итальянский биолог М. Мальпиги и англ. ботаник Грью (1628 - 1711) применили микроскоп к изучению органов животных и строения растений. Ими была разработана микроскопическая анатомия. Благодаря этому, значительно осложнились представления биологов о структуре (или морфологии) организмов (от morphe - форма). Левенгук увидал сперматозоиды в сперме животных и этим открыл дорогу для различных теорий размножения и оплодотворения; он и другие любители-микроскописты увидали микроскопическое население воды и тем значительно расширили границы живого мира. Сваммердам (1637 — 80) написал огромный труд, вышедший с многочисленными рисунками только через полвека после его смерти (в 1737 г.) под названием «Biblia naturae», в котором описаны строение и история развития множества низших животных и особенно насекомых. При изучении зоологии насекомых обращалось главное внимание на их превращение, образ жизни и их инстинкты (в XVIII в.). Совершенно иное, исключительное для этого периода, значение в развитии биологии имел Линней (1707 — 78), который положил начало научной систематике животных и растений. Он шел навстречу насущной потребности в системе, которую живо ощущали все биологи того времени. Уже в XVI в. во многих городах были устроены кунсткамеры, позднее превратившиеся в музеи, где собирались различные редкости, в том числе и естественноисторические предметы. Появилось немало и частных любителей-коллекционеров, особенно с тех пор, как были открыты заокеанские страны. Возникла практическая потребность систематизировать эти коллекции, чтобы в них можно было разобраться. В частности, медицина, широко пользовавшаяся лечением травами, настоятельно требовала их быстрого распознавания. Линней создал полную систему классификации растительного и животного царства, которая сразу вошла во всеобщее употребление и в главных чертах сохраняет значение и для нашего времени. Линней был в прямом смысле слова прирожденным систематиком. Он мало интересовался отвлеченными философскими вопросами, не ставил экспериментов, но все свои книги, статьи, приветственные речи и, вероятно, все мысли располагал по педантично построенной системе, разделяя на категории высших и низших порядков. Линней прежде всего установил понятие о виде как основной систематической единице («Мы насчитываем столько видов, сколько различных. форм животных и растений сотворено вначале»). С того времени взгляд биологов на происхождение видов сильно изменился, установлена значительная изменчивость в пределах вида, но все же понятие о Линнеевском виде, как совокупности более или менее однородных форм, связанных общим происхождением и свободно скрещивающихся, остается в силе и является основой современной систематики. Группы сходных видов Линней объединял в понятие родов и ввел двойную номенклатуру для обозначения вида - из родового и видового названий. Сходные роды Линией объединяет в отряды, сходные отряды - в классы. Эти группы высшего порядка представляются ему искусственными разделениями, проводимыми для удобства классификации и определения видов - реально существующих единиц.

Конец XVIII и начало XIX в. характеризуются развитием сравнительной морфологии (анатомии). Уже при самом возникновении анатомии человека врачам, избегавшим вскрывать человеческие трупы, приходилось пользоваться трупами животных, в частности обезьян (Гален). В XVII и XVIII вв. возникли зоологические сады, в которых собирались крупные экзотические животные, и работавшие при этих садах биологи получили возможность вскрывать и описывать большое количество разнообразных животных. Высокого развития достигает сравнительная анатомия животных в начале XIX в. благодаря работам Ж. Кювье (1769— 1832). Он развивает взгляд на морфологию как на геометрию организмов. Для каждого из четырех установленных им типов животного царства он устанавливает и общий план строения. В различных классах, отрядах и т. д. этот тип подвергается изменениям, но эти изменения связаны между собой законами соотношения частей. Так, например, то или иное изменение зубов у млекопитающих ведет за собой соответствующее изменение в строении конечностей. Во многих случаях по строению одной какой-нибудь части, например, зуба, удается определить строение скелета конечностей и т. п. Огромный опыт Кювье в области сравнительной анатомии, особенно позвоночных животных, позволяет ему применить свои знания к изучению останков ископаемых животных. Кювье первый с полной очевидностью показал, что они резко отличались от современных. Быстрое развитие строительства Парижа вслед за революцией позволило ему собрать большой материал по ископаемым останкам из парижских окрестностей. Таким образом, возникла новая биологическая наука - палеонтология, т. е. наука о древних вымерших организмах. Возникновение и развитие эволюционной теории.. Конец XVIII и первая половина XIX в. являются периодами усиленного собирания фактов, особенно в области систематики и сравнительной морфологии. Лозунгом этой эпохи является: называть, классифицировать и описывать. Вместо господствовавших до этого времени философов, стремившихся дать полную систему биологии как части общей философии, появляются многочисленные ученые специалисты, зоологи и ботаники, систематики, морфологи, физиологи и эмбриологи. Большинство из них - чистые эмпирики, не желающие уклоняться от собирания фактического материала в сторону рационализма. Однако, в конце XVIII и в начале XIX в., преимущественно в Германии, выступает группа натурфилософов, которые, в противоположность господствующему чисто эмпирическому направлению, стремятся рационализировать (осмыслить) явления природы (Кант, Фихте, Шеллинг, особенно Гете и Л. Окен). Для натурфилософов характерно, что сами они почти не занимаются наблюдениями и экспериментами и, хотя используют установленный другими исследователями фактический материал, но главное внимание уделяют логическому развитию своих биологических представлений, часто принимающих, поэтому форму поэтических фантазий. Гете развивает теорию о единстве плана в строении органов различных растений - листьев, лепестков и тычинок цветка и одновременно с Океном устанавливает метамерную теорию строения костного черепа позвоночных, распадающегося, будто бы, на такие же сегменты, метамеры, как костные позвонки в туловище. Эти теории встречают сочувствие среди биологов-эмпириков, и в течение полувека излюбленной темой сравнительно-анатомических работ является метамерная теория костного черепа. Можно было бы думать, что развитие сравнительной анатомии и палеонтологии, в связи с теоретизированием по поводу единства плана строения организмов, должно было привести к установлению единства происхождения и к эволюционной идее. Однако, этого не случилось; большинство биологов до середины Х1Х в. прочно придерживалось библейского учения о сотворении мира и отдельных животных и растений. Во второй половине XVIII века французский биолог Бюффон рисует картину постепенного возникновения животных и растений па земле в течение долгого периода ее существования и постепенного охлаждения (этот период, вопреки библейскому преданию, он исчисляет в 65.000 лет). Он считает возможным допустить, что первые пары всех животных и растений (включая даже столь высокоразвитых животных, как слоны), при известных условиях, возникали сами собой из рассеянных в природе органических молекул таким же естественным путем, как кристаллы выпадают из раствора. Но все эти взгляды были отброшены, когда было признано, что организмы развиваются только из яиц или внутри таких же, как они, родителей. В конце XVIII века англ. врач Эразм Дарвин, дед великого Чарльза Дарвина, в нескольких стихотворных поэмах набрасывает ряд фантастических мыслей по поводу превращения одних видов организмов в другие, но его поэмы не привлекают к себе внимания биологов. В 1809 г. французский ботаник, метеоролог и физиолог Ламарк выпускает книгу «Философия зоологии», в которой эволюционная идея выражается в более ясной форме. Он определенно высказывается за то, что виды - такие же условные систематические единицы, как и высшие систематические группы - отряды, классы и типы. Виды меняются, но очень медленно, так что эти изменения незаметны. Органическая жизнь развивалась на земле десятки тысяч, может быть, миллионы лет; в течение всего этого времени организмы усложнялись и совершенствовались. Причину этого развития и совершенствования животных Ламарк видит в их стремлениях, которые изменяют и перерождают их тела. Классическими примерами такого объяснения Ламарка являются следующие положения: жирафы потому приобрели длинную шею, что из поколения в поколение тянулись к верхним ветвям мимоз; длина ног и клюва аистов объясняется тем, что они с трудом вытаскивали их из болот и т. д. Хотя Ламарк и называет себя материалистом, но не подлежит сомнению, что по складу своего биологического понимания он был ярким виталистом; он признавал, что в организмах действует «особая сила», Отличающая их от неживого вещества, и приписывал ей антропоморфную способность образовывать, изменять форму, способность вполне соответствующую энтелехии Аристотеля и современных виталистов. Правда, большинство современных Ламарку биологов охотно употребляло выражение «жизненная сила», но они во главе с Кювье были, преимущественно, эмпириками, высоко ставили точность наблюдений и экспериментальной проверки; в их глазах все толкования Ламарка должны были представляться произвольными фантазиями. Не удивительно, что эти фантазии так же мало обратили на себя внимания, как и рассуждения нем. натурфилософов. Жоффруа Сент-Илер (1772—1844) считается, подобно Ламарку, одним из предшественников Ч. Дарвина в истории развития эволюционной идеи. С его именем связывается учение об изменяемости видов под непосредственным влиянием внешних условий, климата, почвы и т. д. Но и он не останавливается подробно на этой теме, не пытается обосновать свой взгляд сколько-нибудь точными и полными фактическими данными и экспериментами. Подобно натурфилософам, к которым Жоффруа Сент-Илер стоял очень близко, он развивал эту тему скорее как отвлеченное теоретическое представление, был больше теоретиком-морфологом и писал больше о плане строения животных и о соотношениях отдельных частей организма. Его основной идеей было единство плана строения во всем животном царстве, в противоположность Кювье, который утверждал, что для каждого из его четырех типов имеется особый план строения.

После смерти Жоффруа Сент-Илера, до появления в свет книги Ч. Дарвина «О происхождении видов» в 1859 году, эволюционная идея совершенно исчезла из Б. Два крупнейших нем. эволюциониста XIX в.—Э. Геккель и А. Вейсман (Haeckel, Weissmann), Благодаря палеонтологическим открытиям, еще с начала XIX века стало ясным, что в течение геологических периодов фауны и флоры сменяли многократно одна другую, постепенно приближаясь к современным. Кювье не делал, однако, отсюда вывода о постепенном изменении организмов. История земли не казалась ему непрерывной, но разделенной на несколько ясно очерченных периодов, которые отделялись друг от друга мировыми катастрофами вроде библейского потопа; каждый раз после такой катастрофы новые фауны и флоры создавались сразу творческой силой. Этой теории катастрофы был нанесен удар появившейся в 1830 - 32 гг. книгой Ч. Лайэля, который развил учение о постепенной изменяемости земной поверхности путем непрерывного действия факторов, наблюдающихся и в настоящее время. Отсюда казалось естественным заключить, что и развитие органического мира происходило так же постепенно, под влиянием естественных причин, как и развитие земной поверхности. Но этого вывода сам Лайэль не сделал; однако, он оказал глубокое влияние на Ч. Дарвина. Таким образом, хотя книга Ч. Дарвина произвела в полном смысле слова революционный переворот в биол. науке, но, несомненно, умы биологов уже были подготовлены к восприятию этого революционного учения. Не приходится удивляться, что эволюционная идея была опубликована одновременно двумя англ. Биологами - А. Уоллесом и Ч. Дарвином: первым - в виде краткого наброска, вторым - в форме книги, содержащей огромное количество убедительных фактов, собранных кропотливой подготовительной работой в течение 20 лет. Ч. Дарвин показал, прежде всего, неправильность Линнеевского понятия о виде как об однородной единице. В пределах каждого вида имеются разнообразные группы, разновидности; даже отдельные особи б. или м. резко отличаются одна от другой. Наряду с этим основным явлением «изменчивости» Ч. Дарвин устанавливает другое, такое же основное явление «наследственности»: индивидуальные признаки детей в большинстве случаев более или менее полно определяются признаками родителей. Третий Дарвиновский фактор эволюции - «естественный отбор». Размножение организмов происходит весьма интенсивно; от одной пары родителей происходят сотни, а порой даже миллионы потомков, но при постоянстве внешних условий только двое из этого огромного числа имеют шансы заменить своих родителей, остальные, же погибают. Так как подобная борьба за существование происходит на земле в течение многих миллионов лет, то, естественно, что в результате отбора виды менялись, распадались на новые виды, а отбор обеспечивал для каждого периода наибольшую приспособленность, целесообразность организации. Пользуясь природной изменчивостью и наследственностью и применяя метод сначала бессознательного, а потом и сознательного искусственного отбора производителей, человек создал и продолжает создавать огромное количество разнообразнейших пород полезных и красивых домашних животных и культивируемых растений. Сам человек, как одно из последних звеньев в развитии органического мира, произошел таким более естественным путем от своих обезьяноподобных предшественников. Влияние дарвинизма не только в биологической науке, но и во всех областях человеческой жизни было и продолжает оставаться огромным. Оно нанесло решительный удар многим абсолютным религиозным догматам и перестроило миросозерцание широких масс населения. Оно легло в основу общественно-экономических и социальных учений и, прежде всего, марксизма. Учение Дарвина после некоторой борьбы было принято почти всеми биологами. Особенно деятельными пропагандистами его были - в Англии Т. Гексли, в Германии Э. Геккель, у нас К. А. Тимирязев и М. А. Мензбир. Были и научные оппоненты - Агассиц, Катрфаж, Бэр, Данилевский и др., но мало-помалу они смолкли, и наступил период полного признания эволюционного учения. Если в настоящее, время находятся ученые биологи, которые называют себя антидарвинистами, то здесь, по большей части, имеется дело с возражениями против тех или иных частных положений дарвинизма, которые, естественно, должны были изменяться под влиянием дальнейшего развития науки; другие современные антидарвинисты, как Дриш, просто не интересуются проблемой исторического процесса и выставляют другие задачи биологии. Но борьба против дарвинизма далеких от науки оппонентов, особенно церковников, не затихла и до сих пор. В наши дни, в особенности в наименее культурных штатах Сев. Америки, эта борьба сильно обострилась. Учение Дарвина оказало огромное влияние на развитие биологических наук во второй половине XIX в. Была перестроена вся сравнительная анатомия, которая теперь поставила своей целью, на основании сравнительного изучения строения животных и растений, делать выводы об их взаимном родстве и восстановлять генеалогическое дерево животного и растительного мира. Широкого развития достигла также эмбриология - изучение развития организмов. Основы эмбриологии были заложены еще до Дарвина трудами русских академиков К. Ф. Вольфа (1679—1754) и К. Э. Бэра (1792—1876); в этом новом, последарвиновском периоде выступили русские биологи, особенно А. О. Ковалевский, И. И. Мечников, В. В. Заленский. Их трудами было установлено, что там, где изучение взрослых организмов не обнаруживает между ними родственного сходства, это сходство может быть открыто изучением зародышей и личиночных форм. Э. Геккель формулировал «биогенетический закон»: индивидуальное развитие каждого организма повторяет стадии эволюционного процесса, путем которого развился данный вид. Прочную опору эволюционной теории положило также последарвиновское развитие палеонтологии. Были открыты и продолжают открываться останки все новых и новых форм животных и растений, представляющих важные звенья в эволюционной лестнице органического мира. Русский палеонтолог В. О. Ковалевский первый разработал метод изучения палеонтологических остатков с точки зрения эволюционного учения. Систематика животных и растений была переработана на совершенно новых началах после того, как Чарльз Дарвин перестроил старое представление о неизменяемости видов. Эволюционная теория придала особенный интерес географическому распределению животных и растений, т. к. факты из этой области позволяли заключить об истории расселения организмов в прошлые времена; Дарвин полагал, что каждый вид возник в одном определенном месте земной поверхности. Сам Ч. Дарвин распространил в позднейших работах свое учение и на человека и положил этим основу современной антропологии. В 1863 г. Лайэль собрал отрывочные в то время данные о нахождении останков ископаемого человека, существование которого в свое время отрицал Кювье. С тех пор было обращено особенное внимание на отложения самого нового, сравнительно недавнего геологического периода (дилювиального, ледникового); раскопки в разных местах, особенно в пещерах Европы, обнаружили многочисленные останки человека, несколько отличающегося от современного, а рядом с ними были найдены первобытные орудия из камня, более или менее совершенной отделки, вместе с костями различных животных (частью уже вымерших), которыми эти первобытные люди питались. Стали искать остатки таких ископаемых организмов, которые можно было бы принять за промежуточные звенья между человеком и его древними обезьяноподобными предками; некоторые находки истолковывались именно в этом смысле (неандертальский череп, открытый незадолго до опубликования «Происхождения видов», кроатские черепа, открытые в 1901 г., находка французом Dubois на острове Ява остатков «обезьяно-человека»:—Pithecanthropus erectus и т. д.). Усиленно изучалась также систематика человеческих рас, в которых различные антропологи видят то разные роды, то разные виды одного рода Homo, или разновидности одного! вида Homo sapiens. Развитие физиологии в XIXв. Проблема исторического происхождения организмов, после Дарвина выдвинутая на первый план, не исчерпывает, конечно, всех научных задач биологии. Другой важнейшей проблемой биологии является вопрос о том, как происходят в настоящее время жизненные явления и в каком отношении они стоят к физическим и химическим явлениям неорганизованной природы. В XVIII в. (1789— 1790 гг.) знаменитый франц. химик Лавуазье произвел существенно важные физиологические опыты над дыханием животных. Он показал, что жизненный процесс дыхания есть не что иное, как медленное горение, сжигание химических составных частей тела с кислородом воздуха, при чем выделяется углекислый газ. Все основные жизненные явления у животных и растений сводятся, по крайней мере, в общих чертах, к явлениям физическим и химическим. Все физиологи второй половины XIX в. были также сторонниками учения Ч. Дарвина; этот период является периодом величайшего расцвета механического причинного объяснения жизненных явлений. Развитие клеточного учения. Развитие учения о клетке, как основе жизненных явлений, следует считать третьей великой победой биологической науки в XIX в.

В 30-х годах XIX века понятие о клетке приобрело широкое значение. М. Шлейден, нем. ботаник, бывший одно время профессором в Дерпте, первый распространил учение о клеточном строении на все структуры растений, а Т. Шванн в своей, вышедшей в 1839 г., работе «Микроскопические исследования о соответствии структуры животных и растений» разложил на клетки и ткани животные организмы. Но в глазах первых цитологов клетка представлялась очень простым образованием - пузырьком, заполненным жидкостью. Для них клетки были только кирпичиками, из которых складывается форма организмов. Главной частью клетки казалась оболочка, придающая, особенно растительной клетке, определенную внешнюю форму, похожую на форму кристалла. Подобно кристаллам, клетки возникают заново, выпадая из соков организма, как кристаллы из маточного раствора. Мало-помалу представление о клетке осложняется. В 1833 г. англ. ботаник Броун открывает в клетке ядро, которое по дальнейшим исследованиям оказывается необходимой составной частью всех клеток. Наоборот, клеточная оболочка, из-за которой клетка и получила свое название, может отсутствовать, а потому теряет свое существенное общее значение. В 1863 г. М. Шульце определяет клетку уже как снабженный ядром комочек протоплазмы, в которой и протекают все жизненные явления организма. Первоначально протоплазма, а вместе с ней и клетка, представляется не более как белковым веществом сложного состава. В 60-х гг. XIX в. предполагалось, что стоит химикам приготовить искусственно белковое вещество - и можно создать живую клетку. Но этот упрощенный взгляд опровергается дальнейшими исследованиями. Вирхов устанавливает, что клетка никогда не возникает вновь, а исключительно путем деления себе подобных клеток.

ОСНОВНЫЕ УРОВНИ ИЕРАРХИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц - организмов, или особей.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный - клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный. Рассмотрим каждый из этих уровней.

Молекулярно-генетический уровень жизни - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов - молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы - гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Клеточный уровень. На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям - существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что, несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества - воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из т р е х основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы - организмы, не нуждающиеся в органической пище, которые могут осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы - это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнен такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П. К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением является онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенезом называется процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.

Функционирование и развитие многоклеточных живых организмов составляет предмет физиологии. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.

Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Жизнедеятельность многоклеточных организмов, а также функционирование их отдельных частей изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы осуществления различных функций живым организмом, их связь между собой, регуляцию и приспособление организма к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза - развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и общее усложнение организма.

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т.е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития).

Таким образом, организм - это стабильная система внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, не получили своего полного объяснения.

Популяционно-видовой уровень - это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция.

Популяция - совокупность особей одного вида, относительно изолированных от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую себя на протяжении длительного времени и обладающую общим генетическим фондом.

В отличие от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие собой генетически открытые системы.

В условиях реальной природы особи не изолированы друг от друга, а объединены в живые системы более высокого ранга. Первой такой системой и является популяция. Популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой, способной к трансформации и развитию.

Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни, обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетической информацией в процессе полового размножения. У каждой популяции есть количественные границы. С одной стороны, это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции, а другой - максимум особей, которые могут прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни - периодические колебания численности, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д.

Популяции - генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможным обмен генетической информацией.

Для популяционного уровня организации жизни характерна активная или пассивная подвижность всех компонентов популяции. Это влечет постоянное перемещение особей - членов популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипопуляционных группировок. При этом высокая численность и устойчивость достигаются только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархическую и пространственную структуру, т.е. являются неоднородными, гетерогенными, имеют сложные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы одного звена из этой структуры, ведет к разрушению популяции или потере ею устойчивости.

Биоценотический уровень. Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого, являющиеся элементарными единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня - биоценозы.

Биоценоз - совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. Иными словами, биоценоз - это совокупность популяций, проживающих на определенной территории.

Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций - это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях. Мы можем встретить примеры антагонизма, конкуренции, кооперации, паразитизма. Например, хищники живут охотой на травоядных, которые, в свою очередь, питаются растениями. Примерами конкуренции могут служить отношения, складывающиеся между хищниками одного биоценоза, которые борются между собой за лучшие места обитания, за самку и т.д. Часто мы сталкиваемся с паразитизмом, при этом паразиты (глисты, насекомые, микроорганизмы) живут за счет своего хозяина (растения или животного). И, наконец, имеет место кооперация, или симбиоз, при которой организмы разных видов помогают друг другу в выживании. Таковы взаимовыгодные отношения между цветами и насекомыми-опылителями, при которых пчелы получают нектар, необходимый для производства меда, а растения размножаются.

Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций и являются составным компонентом более сложной системы - биогеоценоза.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации, в рамках которой может осуществляться круговорот веществ в природе.

Это означает, что биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и управляемой подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называется гомеостазом. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызванное массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.

Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, которой выделяют несколько типов подсистем:

1) первичные системы - продуценты, (производящие), непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорганизмы);

2) консументы первого порядка - вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов (травоядные животные);

З) консументы второго порядка (хищники и т.д.)

4) падальщики (сапрофиты и сапрофаги), питающиеся мертвыми животными;

5) редуценты -- это группа бактерий и грибов, разлагающие остатки органической материи.

Саморегуляция биогеоценозов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия компонентов зависит устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия биогеоценоза и гибели его как целостной системы.

Таким образом, биогеоценозы - структурные элементы следующего надорганизменного уровня жизни. Они составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень - наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биотический обмен веществ - это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу.

На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций - важнейшая задача биологии.

Биосфера, согласно Вернадскому, - это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии - новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов.

Живое вещество и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли - в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. На Земле идет непрерывное обновление биомассы (за 7--8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн. раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики и Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается.

Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1) По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

2) Что касается проблем экологии, то современная ситуация может быть оценена как глобальный экологический кризис, у которого существуют две стороны кризис природы и кризис человека, причем оба они углубляются и расширяются. В результате перед нами встает грозная проблема, которая не обсуждается даже специалистами, проблема потери возможной устойчивости (стабильности) биосферы как целостной системы, частью которой является человечество.

3) Различные уровни организации органического мира, можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

ОСНОВНЫЕ УРОВНИ ИЕРАРХИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц - организмов, или особей.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный - клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный. Рассмотрим каждый из этих уровней.

Молекулярно-генетический уровень жизни - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов - молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы - гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Клеточный уровень. На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям - существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что, несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества - воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из т р е х основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы - организмы, не нуждающиеся в органической пище, которые могут осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы - это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнен такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П. К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением является онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенезом называется процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.

Функционирование и развитие многоклеточных живых организмов составляет предмет физиологии. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.

Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Жизнедеятельность многоклеточных организмов, а также функционирование их отдельных частей изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы осуществления различных функций живым организмом, их связь между собой, регуляцию и приспособление организма к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза - развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и общее усложнение организма.

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т.е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития).

Таким образом, организм - это стабильная система внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, не получили своего полного объяснения.

Популяционно-видовой уровень - это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция.

Популяция - совокупность особей одного вида, относительно изолированных от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую себя на протяжении длительного времени и обладающую общим генетическим фондом.

В отличие от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие собой генетически открытые системы.

В условиях реальной природы особи не изолированы друг от друга, а объединены в живые системы более высокого ранга. Первой такой системой и является популяция. Популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой, способной к трансформации и развитию.

Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни, обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетической информацией в процессе полового размножения. У каждой популяции есть количественные границы. С одной стороны, это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции, а другой - максимум особей, которые могут прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни - периодические колебания численности, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д.

Популяции - генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможным обмен генетической информацией.

Для популяционного уровня организации жизни характерна активная или пассивная подвижность всех компонентов популяции. Это влечет постоянное перемещение особей - членов популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипопуляционных группировок. При этом высокая численность и устойчивость достигаются только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархическую и пространственную структуру, т.е. являются неоднородными, гетерогенными, имеют сложные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы одного звена из этой структуры, ведет к разрушению популяции или потере ею устойчивости.

Биоценотический уровень. Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого, являющиеся элементарными единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня - биоценозы.

Биоценоз - совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. Иными словами, биоценоз - это совокупность популяций, проживающих на определенной территории.

Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций - это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях. Мы можем встретить примеры антагонизма, конкуренции, кооперации, паразитизма. Например, хищники живут охотой на травоядных, которые, в свою очередь, питаются растениями. Примерами конкуренции могут служить отношения, складывающиеся между хищниками одного биоценоза, которые борются между собой за лучшие места обитания, за самку и т.д. Часто мы сталкиваемся с паразитизмом, при этом паразиты (глисты, насекомые, микроорганизмы) живут за счет своего хозяина (растения или животного). И, наконец, имеет место кооперация, или симбиоз, при которой организмы разных видов помогают друг другу в выживании. Таковы взаимовыгодные отношения между цветами и насекомыми-опылителями, при которых пчелы получают нектар, необходимый для производства меда, а растения размножаются.

Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций и являются составным компонентом более сложной системы - биогеоценоза.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации, в рамках которой может осуществляться круговорот веществ в природе.

Это означает, что биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и управляемой подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называется гомеостазом. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызванное массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.

Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, которой выделяют несколько типов подсистем:

1) первичные системы - продуценты, (производящие), непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорганизмы);

2) консументы первого порядка - вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов (травоядные животные);

З) консументы второго порядка (хищники и т.д.)

4) падальщики (сапрофиты и сапрофаги), питающиеся мертвыми животными;

5) редуценты -- это группа бактерий и грибов, разлагающие остатки органической материи.

Саморегуляция биогеоценозов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия компонентов зависит устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия биогеоценоза и гибели его как целостной системы.

Таким образом, биогеоценозы - структурные элементы следующего надорганизменного уровня жизни. Они составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень - наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биотический обмен веществ - это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу.

На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций - важнейшая задача биологии.

Биосфера, согласно Вернадскому, - это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии - новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов.

Живое вещество и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли - в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. На Земле идет непрерывное обновление биомассы (за 7--8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн. раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики и Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается.

Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1) По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

2) Что касается проблем экологии, то современная ситуация может быть оценена как глобальный экологический кризис, у которого существуют две стороны кризис природы и кризис человека, причем оба они углубляются и расширяются. В результате перед нами встает грозная проблема, которая не обсуждается даже специалистами, проблема потери возможной устойчивости (стабильности) биосферы как целостной системы, частью которой является человечество.

3) Различные уровни организации органического мира, можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

КЛЕТКА, элементарная единица живого. Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность. Изучением строения клетки занимается цитология, функционированием – физиология. Наука, изучающая состоящие из клеток ткани, называется гистологией.

Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: предъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

Клетки прокариот, к которым относятся бактерии, в отличие от эукариот, имеют относительно простое строение. В прокариотической клетке нет организованного ядра, в ней содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме. Однако в ней также записана вся наследственная информация бактериальной клетки.

Цитоплазма прокариот по сравнению с цитоплазмой эукариотических клеток значительно беднее по составу структур. Там находятся многочисленные более мелкие, чем в клетках эукариот, рибосомы. Функциональную роль митохондрий и хлоропластов в клетках прокариот выполняют специальные, довольно просто организованные мембранные складки.

Клетки прокариот, так же как и эукариотические клетки, покрыты плазматической мембраной, поверх которой располагается клеточная оболочка или слизистая капсула. Несмотря на относительную простоту, прокариоты являются типичными независимыми клетками.

Клеточная теория

Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента живых организмов.

Клеточная теория — основополагающая для общей биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её важнейшим положением (всякая клетка из клетки).

Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерии имеют схожее строение. Позднее эти заключения стали основой для доказательства единства организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни.

Основные положения клеточной теории

Современная клеточная теория включает следующие основные положения:

• Клетка - единица строения, жизнедеятельности, роста и развития живых организмов, вне клетки жизни нет;.

• Клетка - единая система, состоящая из множества закономерно связанных друг с другом элементов, представляющих собой определенное целостное образование;

• Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям;

• Новые клетки образуются только в результате деления исходных клеток;

• Клетки многоклеточных организмов образуют ткани, из тканей органы. Жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток;

• Клетки многоклеточных организмов имеют полный набор генов, но отличаются друг от друга тем, что у них работают различные группы генов, следствием чего является морфологическое и функциональное разнообразие клеток - дифференцировка.

Дополнительные положения клеточной теории

Для приведения клеточной теории в более полное соответствие с данными современной клеточной биологии список её положений часто дополняют и расширяют. Во многих источниках эти дополнительные положения различаются, их набор достаточно произволен.

Клетки прокариот и эукариот являются системами разного уровня сложности и не полностью гомологичны друг другу.

В основе деления клетки и размножения организмов лежит копирование наследственной информации - молекул нуклеиновых кислот ("каждая молекула из молекулы"). Положения о генетической непрерывности относится не только к клетке в целом, но и к некоторым из её более мелких компонентов — к митохондриям, хлоропластам, генам и хромосомам.

Многоклеточный организм представляет собой новую систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединённых и интегрированных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических факторов, гуморальных и нервных (молекулярная регуляция).

Клетки многоклеточных тотипотенты, т. е. обладают генетическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экспрессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологическому и функциональному разнообразию - к дифференцировке.

История

XVII век

1665 год — английский физик Р. Гук в работе «Микрография» описывает строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками». Наличие подобной структуры было известно ему и в некоторых других частях растений.

1670-е годы — итальянский медик и натуралист М. Мальпиги и английский натуралист Н. Грю описали в разных органах растений «мешочки, или пузырьки» и показали широкое распространение у растений клеточного строения. Клетки изображал на своих рисунках голландский микроскопист А. Левенгук. Он же первым открыл мир одноклеточных организмов - описал бактерий и протистов (инфузорий).

Исследователи XVII века, показавшие распространённость «клеточного строения» растений, не оценили значение открытия клетки. Они представляли клетки в качестве пустот в непрерывной массе растительных тканей. Грю рассматривал стенки клеток как волокна, поэтому он ввёл термин «ткань», по аналогии с текстильной тканью. Исследования микроскопического строения органов животных носили случайный характер и не дали каких-либо знаний об их клеточном строении.

В XVIII веке совершаются первые попытки сопоставления микроструктуры клеток растений и животных. К.Ф. Вольф в работе «Теории зарождения» (1759) пытается сравнить развитие микроскопического строения растений и животных. По Вольфу, зародыш как у растений, так и у животных развивается из бесструктурного вещества, в котором движения создают каналы (сосуды) и пустоты (клетки). Фактические данные, приводившиеся Вольфом, были им ошибочно истолкованы и не прибавили новых знаний к тому, что было известно микроскопистам XVII века. Однако его теоретические представления в значительной мере предвосхитили идеи будущей клеточной теории.

XIX век

В первую четверть XIX века происходит значительное углубление представлений о клеточном строении растений, что связано с существенными улучшениями в конструкции микроскопа (в частности, созданием ахроматических линз).

Линк и Молднхоуэр устанавливают наличие у растительных клеток самостоятельных стенок. Выясняется, что клетка есть некая морфологически обособленная структура. В 1831 году Моль доказывает, что даже такие, казалось бы, неклеточные структуры растений, как водоносные трубки, развиваются из клеток.

Мейен в «Фитотомии» (1830) описывает растительные клетки, которые «бывают или одиночными, так что каждая клетка представляет собой особый индивид, как это встречается у водорослей и грибов, или же, образуя более высоко организованные растения, они соединяются в более и менее значительные массы». Мейен подчёркивает самостоятельность обмена веществ каждой клетки.

В 1831 году Роберт Броун описывает ядро и высказывает предположение, что оно является постоянной составной частью растительной клетки.

Школа Пуркинье

В 1801 году Вигиа ввёл понятие о тканях животных, однако он выделял ткани на основании анатомического препарирования и не применял микроскопа. Развитие представлений о микроскопическом строении тканей животных связано прежде всего с исследованиями Пуркинье, основавшего в Бреславле свою школу.

Пуркинье и его ученики (особенно следует выделить Г. Валентина) выявили в первом и самом общем виде микроскопическое строение тканей и органов млекопитающих (в том числе и человека). Пуркинье и Валентин сравнивали отдельные клетки растений с частными микроскопическими тканевыми структурами животных, которые Пуркинье чаще всего называл «зёрнышками» (для некоторых животных структур в его школе применялся термин «клетка»).

В 1837 г. Пуркинье выступил в Праге с серией докладов. В них он сообщил о своих наблюдениях над строением желудочных желёз, нервной системы и т. д. В таблице, приложенной к его докладу, были даны ясные изображения некоторых клеток животных каней. Тем не менее установить гомологию клеток растений и клеток животных Пуркинье не смог:

во-первых, под зёрнышками он понимал то клетки, то клеточные ядра;

во-вторых, термин «клетка» тогда понимался буквально как «пространство, ограниченное стенками».

Сопоставление клеток растений и «зёрнышек» животных Пуркинье вёл в плане аналогии, а не гомологии этих структур (понимая термины «аналогия» и «гомология» в современном смысле).

Школа Мюллера и работа Шванна

Второй школой, где изучали микроскопическое строение животных тканей, была лаборатория Иоганнеса Мюллера в Берлине. Мюллер изучал микроскопическое строение спинной струны (хорды); его ученик Генле опубликовал исследование о кишечном эпителии, в котором дал описание различных его видов и их клеточного строения.

Теодор Шванн сформулировал принципы клеточной теории.

Здесь были выполнены классические исследования Теодора Шванна, заложившие основание клеточной теории. На работу Шванна оказала сильное влияние школа Пуркинье и Генле. Шванн нашёл правильный принцип сравнения клеток растений и элементарных микроскопических структур животных. Шванн смог установить гомологию и доказать соответствие в строении и росте элементарных микроскопических структур растений и животных.

На значение ядра в клетке Шванна натолкнули исследования Матиаса Шлейдена, у которого в 1838 году вышла работа «Материалы по фитогенезу». Поэтому Шлейдена часто называют соавтором клеточной теории. Основная идея клеточной теории — соответствие клеток растений и элементарных структур животных — была чужда Шлейдену. Он сформулировал теорию новообразования клеток из бесструктурного вещества, согласно которой сначала из мельчайшей зернистости конденсируется ядрышко, вокруг него образуется ядро, являющееся образователем клетки (цитобластом). Однако эта теория опиралась на неверные факты.

В 1838 году Шванн публикует 3 предварительных сообщения, а в 1839 году появляется его классическое сочинение «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в самом заглавии которого выражена основная мысль клеточной теории:

В первой части книги он рассматривает строение хорды и хряща, показывая, что их элементарные структуры — клетки развиваются одинаково. Далее он доказывает, что микроскопические структуры других тканей и органов животного организма — это тоже клетки, вполне сравнимые с клетками хряща и хорды.

Во второй части книги сравниваются клетки растений и клетки животных и показывается их соответствие.

В третьей части развиваются теоретические положения и формулируются принципы клеточной теории. Именно исследования Шванна оформили клеточную теорию и доказали (на уровне знаний того времени) единство элементарной структуры животных и растений. Главной ошибкой Шванна было высказанное им вслед за Шлейденом мнение о возможности возникновения клеток из бесструктурного неклеточного вещества.

Развитие клеточной теории во второй половине XIX века

С 1840-х века учение о клетке оказывается в центре внимания всей биологии и бурно развивается, превратившись в самостоятельную отрасль науки — цитологию.

Для дальнейшего развития клеточной теории существенное значение имело её распространение на протистов (простейших), которые были признаны свободно живущими клетками (Сибольд, 1848).

В это время изменяется представление о составе клетки. Выясняется второстепенное значение клеточной оболочки, которая ранее признавалась самой существенной частью клетки, и выдвигается на первый план значение протоплазмы (цитоплазмы) и ядра клеток (Моль, Кон, Л. С. Ценковский, Лейдиг, Гексли), что нашло своё выражение в определении клетки, данном М. Шульце в 1861 г.:

Клетка — это комочек протоплазмы с содержащимся внутри ядром.

В 1861 году Брюкко выдвигает теорию о сложном строении клетки, которую он определяет как «элементарный организм», выясняет далее развитую Шлейденом и Шванном теорию клеткообразования из бесструктурного вещества (цитобластемы). Обнаружено, что способом образования новых клеток является клеточное деление, которое впервые было изучено Молем на нитчатых водорослях. В опровержении теории цитобластемы на ботаническом материале большую роль сыграли исследования Негели и Н. И. Желе.

Деление тканевых клеток у животных было открыто в 1841 г. Ремарком. Выяснилось, что дробление бластомеров есть серия последовательных делений (Биштюф, Н. А. Келликер). Идея о всеобщем распространении клеточного деления как способа образования новых клеток закрепляется Р. Вирховом в виде афоризма:

«Omnis cellula ех cellula» (.Каждая клетка из клетки).

В развитии клеточной теории в XIX веке остро встают противоречия, отражающие двойственный характер клеточного учения, развивавшегося в рамках механистического представления о природе. Уже у Шванна встречается попытка рассматривать организм как сумму клеток. Эта тенденция получает особое развитие в «Целлюлярной патологии» Вирхова (1858).

Работы Вирхова оказали неоднозначное влияние на развитие клеточного учения:

Клеточная теория распространялась им на область патологии, что способствовало признанию универсальности клеточного учения. Труды Вирхова закрепили отказ от теории цитобластемы Шлейдена и Шванна, привлекли внимание к протоплазме и ядру, признанными наиболее существенными частями клетки.

Вирхов направил развитие клеточной теории по пути чисто механистической трактовки организма.

Вирхов возводил клетки в степень самостоятельного существа, вследствие чего организм рассматривался не как целое, а просто как сумма клеток.

XX век

Клеточная теория со второй половины XIX века приобретала всё более метафизический характер, усиленный «Целлюлярной физиологией» Ферворна, рассматривавшего любой физиологический процесс, протекающий в организме, как простую сумму физиологических проявлений отдельных клеток. В завершении этой линии развития клеточной теории появилась механистическая теория «клеточного государства», в качестве сторонника которой выступал в том числе и Геккель. Согласно данной теории организм сравнивается с государством, а его клетки — с гражданами. Подобная теория противоречила принципу целостности организма.

Механистическое направление в развитии клеточной теории подверглось острой критике. В 1860 году с критикой представления Вирхова о клетке выступил И. М. Сеченов. Позднее клеточная теория подверглась критическим оценкам со стороны других авторов. Наиболее серьёзные и принципиальные возражения были сделаны Гертвигом, А. Г. Гурвичем (1904), М. Гейденгайном (1907), Добеллом (1911). С обширной критикой клеточного учения выступил чешский гистолог Студничка (1929, 1934).

В 1950-е советский биолог О. Б. Лепешинская, основываясь на данных своих исследований, выдвинула «новую клеточную теорию» в противовес «вирховианству». В её основу было положено представление, что в онтогенезе клетки могут развиваться из некоего неклеточного живого вещества. Критическая проверка фактов, положенных О. Б. Лепешинской и её приверженцами в основу выдвигаемой ею теории, не подтвердила данных о развитии клеточных ядер из безъядерного «живого вещества».

Современная клеточная теория

Современная клеточная теория исходит из того, что клеточная структура является главнейшей формой существования жизни, присущей всем живым организмам, кроме вирусов. Совершенствование клеточной структуры явилось главным направлением эволюционного развития как у растений, так и у животных, и клеточное строение прочно удержалось у большинства современных организмов.

Вместе с тем должны быть подвергнуты переоценке догматические и методологически неправильные положения клеточной теории:

Клеточная структура является главной, но не единственной формой существования жизни. Неклеточными формами жизни можно считать вирусы. Правда, признаки живого (обмен веществ, способность к размножению и т.п.) они проявляют только внутри клеток, вне клеток вирус является сложным химическим веществом. По мнению большинства учёных, в своём происхождении вирусы связаны с клеткой, являются частью её генетического материала, "одичавшими" генами.

Выяснилось, что существует два типа клеток - прокариотические (клетки бактерий и архебактерий), не имеющие отграниченного мембранами ядра, и эукариотические (клетки растений, животных, грибов и протистов), имеющие ядро, окружённое двойной мембраной с ядерными порами. Между клетками прокариот и эукариот существует и множество иных различий. У большинства прокариот нет внутренних мембранных органоидов, а у большинства эукариот есть митохондрии и хлоропласты. В соответствии с теорией симбиогенеза, эти полуавтономные органоиды - потомки бактериальных клеток. Таким образом, эукариотическая клетка - система более высокого уровня организации, она не может считаться целиком гомологичной клетке бактерии (клетка бактерии гомологична одной митохондрии клетки человека). Гомология всех клеток, таким образом, свелась к наличию у них замкнутой наружной мембраны из двойного слоя фосфолипидов (у архебактерий она имеет иной химический состав, чем у остальных групп организмов), рибосом и хромосом - наследственного материала в виде молекул ДНК, образующих комплекс с белками. Это, конечно, не отменяет общего происхождения всех клеток, которое подтверждается общностью их химического состава.

Клеточная теория рассматривала организм как сумму клеток, а жизнепроявления организма растворяла в сумме жизнепроявлений составляющих его клеток. Этим игнорировалась целостность организма, закономерности целого подменялись суммой частей.

Считая клетку всеобщим структурным элементом, клеточная теория рассматривала как вполне гомологичные структуры тканевые клетки и гаметы, протистов и бластомеры. Применимость понятия клетки к протистам является дискуссионным вопросом клеточного учения в том смысле, что многие сложно устроенные многоядерные клетки протистов могут рассматриваться как надклеточные структуры. В тканевых клетках, половых клетках, протистах проявляется общая клеточная организация, выражающаяся в морфологическом выделении кариоплазмы в виде ядра, однако эти структуры нельзя считать качественно равноценными, вынося за пределы понятия «клетка» все их специфические особенности. В частности, гаметы животных или растений - это не просто клетки многоклеточного организма, а особое гаплоидное поколение их жизненного цикла, обладающее генетическими, морфологическими, а иногда и экологическими особенностями и подверженное независимому действию естественного отбора. В то же время практически все эукариотические клетки, несомненно, имеют общее происхождение и набор гомологичных структур - элементы цитоскелета, рибосомы эукариотического типа и др.

Догматическая клеточная теория игнорировала специфичность неклеточных структур в организме или даже признавала их, как это делал Вирхов, неживыми. В действительности, в организме кроме клеток есть многоядерные надклеточные структуры (синцитии, симпласты) и безъядерное межклеточное вещество, обладающее способностью к метаболизму и потому живое. Установить специфичность их жизнепроявлений и значение для организма является задачей современной цитологии. В то же время и многоядерные структуры, и внеклеточное вещество появляются только из клеток. Синцитии и симпласты многоклеточных - продукт слияния исходных клеток, а внеклеточное вещество - продукт их секреции, т.е. образуется оно в результате метаболизма клеток.

Проблема части и целого разрешалась ортодоксальной клеточной теорией метафизически: всё внимание переносилось на части организма — клетки или «элементарные организмы».

Целостность организма есть результат естественных, материальных взаимосвязей, вполне доступных исследованию и раскрытию. Клетки многоклеточного организма не являются индивидуумами, способными существовать самостоятельно (так называемые культуры клеток вне организма представляют собой искусственно создаваемые биологические системы). К самостоятельному существованию способны, как правило, лишь те клетки многоклеточных, которые дают начало новым особям (гаметы, зиготы или споры) и могут рассматриваться как отдельные организмы. Клетка не может быть оторвана от окружающей среды (как, впрочем, и любые живые системы). Сосредоточение всего внимания на отдельных клетках неизбежно приводит к унификации и механистическому пониманию организма как суммы частей.

Очищенная от механицизма и дополненная новыми данными клеточная теория остается одним из важнейших биологических обобщений.

Каждая клетка содержит множество химических элементов, участвующих в различных химических реакциях. Химические процессы, протекающие в клетке — одно из основных условий её жизни, развития и функционирования. Одних химических элементов в клетке больше, других — меньше.

Условно все элементы клетки можно разделить на три группы.

Макроэлементы

К макроэлементам относят кислород (65—75 %), углерод (15—18 %), водород (8—10 %), азот (2,0—3,0 %), калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2 %), фосфор (0,2—1,0 %), хлор (0,05—0,1 %), магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—0,03 %), кальций (0,04—2,00 %), железо (0,01—0,015 %. Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.

Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды.

Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах входит в клетках содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.

Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления.

Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат-иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.

Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат-ионов).

Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.

Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.

Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создание буферной системы крови.

Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.Содержится в межклеточных веществах.

Хлор — поддерживает электронейтральность клетки.

Микроэлементы

К микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк

Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина

Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Ультрамикроэлементы

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,000001 % в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультромикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

На атомарном уровне различий между органическим и неорганическим миром живой природы нет: живые организмы состоят из тех же атомов, что и тела неживой природы. Однако соотношение разных химических элементов в живых организмах и в земной коре сильно различается. Кроме того, живые организмы могут отличаться от окружающей их среды по изотопному составу химических элементов. Наиболее резкие различия между живой и неживой природой проявляются на молекулярном уровне.

МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

БЕЛКИ

Белками, или протеинами (от греч. «протос» - первый, перво­начальный), называют высокомолекулярные природные азотсо­держащие соединения, построенные из остатков аминокислот. Число аминокислотных остатков в молекулах белков сильно ко­леблется и может достигать нескольких тысяч.

Функции белка

Без белка нет жизни - эта истина вспоминается при всяком описании живой материи. Одна пятая часть тела человека состоит из белка, он содержится практически во всех органах и тканях. Только моча и желчь в норме не содержат белка. Половина всего белка находится в мышцах, 1/5 часть - в костях и хрящах, 1/10 часть - в коже. Волосы, кожа, ногти также содержат белок кера­тин, который не переваривается и не усваивается в кишечнике.

Биологические функции белков крайне разнообразны: катали­тические (ферменты), регуляторные (гормоны), структурные (кол­лаген), сократительные (миозин), транспортные (гемоглобин, миоглобин), защитные (иммуноглобулины, интерферон), запас­ные (альбумин) и др. С участием белков осуществляются рост и размножение клеток. Белки составляют основу биологических мем­бран (стенки клеток и внутриклеточных компонентов). При учас­тии белков регулируются и поддерживаются водный баланс орга­низма, нормальный рН среды.

С точки зрения питания белки — важнейшая составная часть пищи человека и животных, они являются поставщиком необхо­димых организму аминокислот.

Строение и аминокислотный состав белков

Белки синтезируются из аминокислот и превращаются в ами­нокислоты при переваривании (гидролизе) в организме. Природ­ных аминокислот насчитывается около 150, но в состав белков входят лишь 20 (см. ниже).

Незаменимые аминокислоты Заменимые аминокислоты

Изолейцин Глицин

Лейцин Глутаминовая кислота

Лизин Аргинин

Метионин Аспарагиновая кислота

Фенилаланин Пролин

Треонин Аланин

Триптофан Серин

Валин Тирозин

Гистидин Цистеин

Аспарагин

Глутамин

Пищевая ценность белков

С позиций нутрициологии снабжение организма человека не­обходимым количеством аминокислот - основная функция белка. Из 20 аминокислот девять являются незаменимыми: валин, лей­цин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, трип-тофан, гистидин (последний незаменим только для новорожден­ных детей). При отдельных наследственных заболеваниях в орга­низме человека не синтезируются и некоторые заменимые амино­кислоты, например тирозин при врожденной фенилкетонурии.

Качество пищевого белка, определяется наличием в нем полного набора незаменимых аминокислот в определенных количестве и соотношении с заменимыми. Качество белка оценивается биоло­гическими и химическими методами.

Биологические методы предусматривают проведение опытов на молодых растущих животных (чаще всего крысятах), которым в составе рациона скармливается исследуемый белок или содержа­щий его пищевой продукт. По приросту массы тела животных на единицу потребляемого корма рассчитывают ряд показателей, в первую очередь биологическую ценность (БЦ) белка, т.е. ту долю потребляемого с пищей азота, которая задерживается в организме. Если БЦ пищи 70% и выше, то такой белок способен поддержи­вать рост при достаточном потреблении энергии.

Качество пищевого белка может оцениваться и путем сравне­ния его по химическому (аминокислотному) составу со стандарт­ным, или «идеальным», белком. Это гипотетический белок высо­кой пищевой ценности, удовлетворяющий потребности организ­ма человека любого возраста в незаменимых аминокислотах. В 1 г «идеального» белка содержание незаменимых аминокислот (в мг) принимается следующим:

Наиболее близки к «идеальному» белку животные белки яиц и мяса. Почти во всех растительных белках недостаточное количество одной или нескольких незаменимых аминокислот. Другими словами, растительные белки лимитированы по нескольким аминокислотам. Так, белки злаковых культур, а следовательно, и продукты из них (хлеб, крупы) лимитированы по лизину, метионину, треонину, белки картофеля и ряда бобовых — по метионину и цистеину.

Пищевую ценность белков можно повысить (увеличить биоло­гическую ценность и аминокислотный скор по лимитирующим аминокислотам), добавив лимитирующую аминокислоту или сме­шав разные белки. Приготовление смешанных блюд из животных и растительных продуктов способствует получению полноценных пи­щевых белковых композиций.

1.4. Переваривание белков и усвоение аминокислот

Белки, состоящие из длинной цепи аминокислот, не могут вса­сываться в желудочно-кишечном тракте. Они должны быть предва­рительно расщеплены на свободные аминокислоты или фрагмен­ты из 2 или 3 аминокислот (ди- и трипептиды). Расщепление (гид­ролиз) белков катализируют пищеварительные ферменты - протеазы. В отдельных пищевых продуктах, особенно растительных, аминокислоты образуют такие связи, которые не поддаются гид­ролизу протеазами.

Свободные аминокислоты, ди- и трипептиды, образующиеся при гидролизе белка, всасываются в кровоток и транспортируют­ся в ткани и органы. Наибольшее количество аминокислот захва­тывается печенью, где синтезируются белки плазмы крови и ферменты. Остальные аминокислоты подвергаются в печени процессу дезаминирования (отщепление аминогруппы). В реакциях дезами-нирования участвуют активные формы витамина Вд.

Не содержащая азота часть аминокислоты превращается в угле­воды или жиры и окисляется для образования энергии либо запа­сается в виде жира.

Животные и растительные белки усваиваются организмом нео­динаково.

На степень усвоения организмом белков оказывают влияние тех­нология получения и кулинарная обработка пищевых продуктов (измельчение, воздействие температуры, брожение и т.д.).

Качество белка, как уже говорилось, определяется адекватным содержанием и усвояемостью всех незаменимых аминокислот. В бел­ках высокого качества незаменимые аминокислоты составляют примерно 1/3 массы всех аминокислот. Этому требованию удовлет­воряют белки животного происхождения, рекомендуется включать в рацион определенную долю животных белков. Вместе с тем про­блема заключается в обязательном потреблении не именно живот­ного белка, а белка любого происхождения, сбалансированного по аминокислотам. Белковый компонент рациона не должен быть лимитирован по каким-либо незаменимым аминокислотам.

Понятие о лимитирующих аминокислотах позволяет объяс­нить важность потребления источников белка из разных групп пищевых продуктов. Совершенно оправдано сочетание живот­ных и растительных белков, например смешивание крупяных изделий с молоком в кашах приводит к взаимному обогащению метионином (много в белке круп, но лимитирован в молоке) и лизином (много в молоке, но лимитирован в крупе). Этот же тип обогащения имеет место при потреблении макарон с сыром, яиц с хлебом.

Комбинация двух растительных белков, имеющих различные лимитирующие аминокислоты, также создает такую аминокислот­ную смесь, при которой происходит взаимное обогащение белков аминокислотами, содержащимися в достаточном или даже более чем достаточном количестве. Например, взаимно обогащаются при комбинации белки сои и пшеницы: первые лимитированы по серусодержащим аминокислотам, но в них много лизина; вторые, наоборот, лимитированы по лизину, но богаты серусодержащими аминокислотами.

Взаимное обогащение белков пищи должно лежать в основе приготовления смешанных блюд, отвечающих при этом вкусовым качествам и традициям той или иной кухни, т.е. кулинарного ис­кусства.

Коротко о главном

• Белок необходим для роста и обновления тела, синтеза фермен­тов, гормонов, других химических компонентов, регулирующих рост и обмен веществ в организме. Белковая пища нужна как ис­точник аминокислот для образования собственных белков наше­го организма.

• Белки построены из 20 различных аминокислот, в состав которых входит азот в виде аминогруппы. Девять аминокислот не могут образоваться в организме человека, они должны обязательно по­ступать с пищей и называются незаменимыми. Остальные ами­нокислоты могут синтезироваться из незаменимых при достаточ­ном количестве последних.