Основы биологии
1 курс ЕГФ ОЗО
Калинина Маргарита
Жизнь на Земле представлена индивидуумами определённого строения, принадлежащими к определённым систематическим группам, а также сообществами разной сложности. Индивидуумы обладают молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью; сообщества бывают одновидовые и многовидовые. Индивидуумы и сообщества организованы в пространстве и во времени. По подходу к их изучению можно выделить несколько основных уровней на базе разных способов структурно-функционального объединения составляющих элементов: молекулярный, субклеточный, клеточный, органотканевый, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический, биосферный. "Уровневый" подход предполагает выделение масштабных этапов эволюции, каждый из которых отражает определенный уровень структурной организации живого, контрастно отличающийся от остальных. Э. Геккель первым установил два фундаментальных уровня организации живых систем. Первый уровень занимали безъядерные протисты – монеры, второй – все остальные организмы. В начале ХХ века французский ученый Шаттон (1925) предложил для этих уровней соответствующие названия: прокариоты (Prokaryota - от греч. «pro» - до, прежде и «karyon» - ядро) для доядерных организмов и эукариоты (Eukaryota - от греч. «eu» - истинный, полный и karyon - ядро) для организмов, обладающих истинным ядром Значительный вклад в понимание важности и принципов выделения структурных уровней живой природы сделал наш соотечественник В.И. Кремянский (1969). Примененный им системно-структурный подход к изучению живой материи позволил выделить следующие принципы ее организации:
1. Каждый последующий уровень включает все предыдущие, а биологические процессы, происходящие на любом уровне, служат условием функциональной активности на более высоком уровне.
2. Каждый последующий уровень приобретает новое качество. Свойства более высокого уровня не могут быть определены как сумма свойств более низких уровней.
3. Выполняется принцип распространения категорий, понятий и законов низших уровней на высшие уровни.
4. Относительная автономность низшего уровня по отношению к высшему выражается в возможности проведения реакций матричного синтеза in vitro, методах генной инженерии и клонирования.
5. Усложнения живых систем от низших уровней к высшим сопровождается возрастанием роли социальных факторов.
Количество выделяемых уровней далеко не однозначно. В. И. Донцов выделил два основных уровня: предбиологический и биологический (клеточный, организменный, биосферный).
В биологии уровни обычно располагают в линейном порядке в сторону усложнения организации живой материи: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.
На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, направленные на определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанного с деятельностью человека. Это самый высокий уровень организации жизни. Основными структурными единицами этого уровня являются биогеоценозы (экосистемы) и окружающая их среда, т. е. географическая оболочка Земли (атмосфера, гидросфера, почва, солнечная радиация и др.) и антропогенное воздействие. Для этого уровня организации характерны: активное взаимодействие живого и неживого вещества планеты; биологический круговорот веществ и потоки энергии с входящими в него геохимическими циклами; хозяйственная и этнокультурная. Основная стратегия, жизни на биосферном уровне - стремление обеспечить динамичную устойчивость биосферы как самой большой экосистемы нашей планеты.
На биогеоценотическом и биоценотическом уровнях ведущими являются проблемы взаимоотношений организмов в биоценозах, условия, определяющие их численность и продуктивность биоценозов, устойчивость последних и роль влияний человека на сохранение биоценозов и их комплексов.
Биогеоценоз — исторически сложившаяся совокупность организмов разных видов, взаимодействующая со всеми факторами их среды обитания. В биогеоценозах осуществляется круговорот веществ и энергии. Данный уровень характеризуется множеством свойств. К ним относятся: структура экосистемы, видовой и количественный состав ее населения, типы биотических связей, пищевые цепи и сети", трофические уровни, продуктивность, энергетика, устойчивость и др. Организующие свойства проявляются в круговороте веществ и потоке энергии, саморегулировании и устойчивости, автономности, открытости системы, сезонных изменениях.
Биогеоценотический (экосистемный) уровень организации основными структурными элементами являются популяции разных видов.
Основная стратегия этого уровня - активное использование всего многообразия окружающей среды и создание благоприятных условий развития и процветания жизни во всем ее многообразии.
На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамики генетического состава популяций, действие факторов микроэволюции и т. д.
Популяция — совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определенной территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида. Вид — совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый кариотип, сходное поведение и занимают определенный ареал. На этом уровне осуществляется процесс видообразования, который происходит под действием эволюционных факторов. Для хозяйственной деятельности человека важны такие проблемы популяционной биологии, как контроль численности видов, наносящих ущерб хозяйству, поддержание оптимальной численности эксплуатируемых и охраняемых популяций.
Популяционно-видовой уровень возникает на основе объединения особей одного вида. Необходимость выделения этого уровня связана с тем, что популяцию следует рассматривать как элементарную единицу эволюционного процесса, а вид является его главным результатом. На популяционно-видовом уровне начинают проявляться основанные на статистических (вероятностных) законах такие факторы эволюции, как рекомбинации, дрейф генов, поток генов и естественный отбор. Длительная эволюция предшествовала созданию генофонда вида, который определяется как «система хорошо коадаптированных генов». Генофонд играет ключевую роль гиперструктуры на популяционно-видовом уровне. Особь в этом случае рассматривается как «недолговечный сосуд, в котором временно хранится небольшая часть генофонда». Генофонд в его видимой форме представляет существующая популяция, где происходит процесс обмена генетической информацией между особями в процессе размножения. Генофонд вида в этом контексте представляет собой информационную систему, на основе которой постоянно создаются новые варианты генетических программ — генотипы особей. Именно в популяциях гены взаимодействуют в многочисленных комбинациях. В процессе эволюции мутации обеспечивают появление новых вариантов генов, что ведет к изменению генофонда популяций и вида в целом. Механизмом, защищающим вид от разрушения его хорошо интегрированной системы коадаптированных генов, является репродуктивная изоляция (нескрещиваемость особей разных видов). Длительное взаимодействие генов в генофонде обеспечивает степень интеграции, на основе которой происходит адаптация организмов данного вида к среде обитания (экологической нише). Таким образом, разделение массы организмов на виды, т.е. защищенные генофонды, создает некую упорядоченную систему, которая допускает увеличение генетического разнообразия организмов в заданных пределах без разрушения базового информационного (генного) комплекса. Популяционный уровень служит основой для развития социальных отношений, появления коллективных поведенческих реакций.
Организменный уровень организации присущ одноклеточным и многоклеточным биосистемам (растениям, грибам, животным, в том числе человеку и разнообразным микроорганизмам). У живых организмов проявляются такие свойства, как питание, дыхание, выделение, раздражимость, рост и развитие, размножение, поведение, продолжительность жизни, взаимоотношения с окружающей средой. Все перечисленные процессы в совокупности характеризуют организм как целостную саморегулирующуюся биосистему. Основная стратегия жизни на этом уровне - ориентация организма (особи) на выживание в постоянно меняющихся условиях среды.
На этом уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы, в том числе дифференцировку, механизмы адаптации (акклимации) и поведения, в частности — нейрогумоарльные механизмы регуляции, функции ЦНС. Организменный уровень позволяет сформулировать представление об уникальности внутреннего и внешнего строения особей определенного вида, проследить направления и охарактеризовать в деталях морфо-физиологический прогресс. На организменном уровне происходит реализация наследственной программы индивидуума, закодированной в генотипе, т. е. онтогенез. Однако генетическая система содержит информацию не только об индивидуальном, но и об историческом развитии особи (филогенезе), т. е. обладает исторической памятью. В процессе эмбрионального развития многоклеточный организм в ускоренном темпе проходит все стадии исторического развития вида. Организменный уровень включает согласованное функционирование органов и их систем. На организменном уровне проявляются онтогенетические изменения строения многоклеточного организма, процессы управления онтогенезом, процессы реализации генетической информации, адаптационные реакции организма на изменения условий внутренней и внешней среды, процессы, обеспечивающие постоянство внутренней сред организма и многое другое.
Органный уровень возникает на основе функционального объединения нескольких тканей.
Орган — это обособленная часть организма, имеющая определенную форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает. Функции некоторых органов могут совпадать с функциями отдельных клеточных структур у одноклеточных организмов (пищеварение, выделение, зрительная и химическая рецепция). На органотканевом уровне основные проблемы заключаются в изучении особенностей строения и функций отд. органов и составляющих их тканей.
Тканевый уровень включает процессы, протекающие в клетках ,сходных по строению, происхождению и функциям. На этом уровне происходит дифференциация и специализация клеток, действуют механизмы соединения клеток между собой, механизмы, контролирующие рост ткани и ее функциональную активность
Особый уровень.— клеточный.
Клетка — это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке. Клеточный уровень включает различные клеточные структуры, на основе которых происходит пространственная и временная упорядоченность протекающих на молекулярном уровне физико-химических процессов, а также функциональные взаимодействия между структурными элементами клетки во время ее жизненного цикла. Наиболее значимым событием на клеточном уровне, в которое вовлечены все клеточные структуры, является процесс деления клетки. Значимость клеточного уровня также заключается в том, что именно с него начинается собственно жизнь. Все процессы, описываемые на молекулярном уровне, происходят только в клетке. Другими словами, клетка является основной формой организации живой материи. Любая клетка любого организма содержит всю генетическую информацию о данном организме. Уникальность генетической информации каждого организма (генотип) определяется последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Число вариантов молекул ДНК достаточно, чтобы обеспечить каждый организм, существующий в настоящее время, существовавший когда-либо и тот, который появится в будущем, своей собственной уникальной генетической программой. На клеточном уровне организации структурными элементами выступают различные органеллы. Способность к воспроизведению себе подобных, включение различных химических элементов Земли в состав клетки, регуляция химических реакций, запасание и потребление энергии - основные процессы этого уровня. Стратегия жизни на клеточном уровне - вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в живые системы.
Молекулярный уровень.
Элементарными единицами этого уровня организации жизни являются химические вещества; нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды и др. На этом уровне в основном проявляются такие важнейшие процессы жизнедеятельности, как передача наследственной информации, биосинтез, превращение энергии и др. Основная стратегия жизни на молекулярном уровне - способность создавать живое вещество и кодировать информацию, приобретенную в меняющихся условиях среды.
Молекулярный уровень включает физико-химические процессы, протекающие в клетке (и/или в живом организме). К ним относят синтез, распад и взаимопревращения органических молекул, движение ионов, превращение энергии и передачу генетической информации. Участниками этих процессов являются низко- и высокомолекулярные органические соединения, большинство из которых не встречается в неживой природе (биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.
На каждом уровне организации живой материи существуют свои специфические особенности, поэтому в любых биологических исследованиях, как правило, какой-то определенный уровень является ведущим. Так, например, изучение механизмов деления клетки осуществляется на клеточном уровне, а основные успехи в области генной инженерии достигнуты на молекулярно-генетическом. Но такое разделение проблем по уровням организации является весьма условным, потому что большинство задач биологии так или иначе касаются одновременно нескольких уровней, а порой и всех сразу. Например, проблемы эволюции затрагивают все уровни организации, а методы генной инженерии, реализуемые на молекулярно-генетическом уровне, направлены на изменение свойств всего организма. Живые организмы отличаются от неживой природы присущими им свойствами. К характерным свойствам живых организмов относятся: единство химического состава, обмен веществ и энергии, сходство уровней организации. Для живых организмов характерны также размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность и др.
Живые системы обладают рядом общих свойств и признаками, которые отличают их от неживой природы.
Определенный состав и упорядоченность
Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.
Клеточное строение
Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов. Это единица строения всех живых организмов. На клеточном уровне осуществляется превращение веществ и энергии и передача информации.
Метаболизм
Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. Смысл биотических круговоротов заключается в преобразовании молекул, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма и, таким образом, непрерывность его функционирования в постоянно меняющихся условиях внешней среды (поддержание гомеостаза).
Питание - процессы, включающие поступление в организм питательных веществ, их переваривание, всасывание и усвоение.
В результате живые организмы получают химические соединения, которые необходимы для жизнедеятельности, роста и размножения. В процессе питания животные используют солнечную энергию, накопленную растениями.
Дыхание - одна из главных функций организма.
Включает процессы поступления кислорода в организм, использование его в химических реакциях (окислительно-восстановительных), удаление углекислого газа и некоторых других соединений, конечных продуктов метаболизма из организма. Потребляемый кислород участвует в процессе расщепления органических веществ, в результате которого происходит выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности.
Репродукция, или самовоспроизведение - способность живых систем воспроизводить себе подобных.
Этот процесс осуществляется на всех уровнях организации живого
а) редупликация ДНК - на молекулярном уровне;
б) удвоение пластид, центриолей, митохондрий в клетке - на субклеточном уровне;
в) деление клетки путем митоза - на клеточном уровне;
г) поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток - на тканевом уровне;
д) на организменном уровне репродукция проявляется в виде бесполого размножения особей (увеличение численности потомства и преемственность поколений осуществляется за счет митотического деления соматических клеток) или полового (увеличение численности потомства и преемственность поколений обеспечиваются половыми клетками - гаметами).
Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение.
Изменчивость - это способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения биологических матриц - молекул ДНК.
Рост и развитие.
Рост - процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и деления клеток).
Развитие - процесс, в результате которого происходит качественно изменение организма.
Под развитием живой природы - эволюции понимают необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобретением адаптации (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.