Часть 5. Биологический уровень организации материи

5.1. Предмет биологии и ее структура

Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, природных сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру этого комплекса можно рассматривать с разных точек зрения.

По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:

• морфология – наука о строении живых организмов;

• физиология – наука о функционировании организмов;

• молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и

• клеток;

• экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

• генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

• анатомия, изучающая макроскопическое строение животных и человека;

• гистология, изучающая строение тканей;

• цитология, исследующая строение живых клеток.

Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн. видов животных, около полумиллиона растений, несколько сот тысяч грибов, более 3 тысяч видов бактерий. Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1) систематики – связан с именем шведского естествоиспытателя К. Линнея (1707 –1778). Он создал систему классификации растительного и животного мира: класс, отряд, род, вид, разновидность;

2) эволюционный – связан с работами английского естествоиспытателя Ч. Дарвина;

3) биология микромира (первые работы в этом направлении выполнены Г. Менделем).

Каждый из этапов связан с изменением представлений о мире живого, со сменой основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого стало отчетливо просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.

5.2. Основные признаки живого

Современная биология в описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Только совокупность данных свойств дает представление о специфике живого.

К числу свойств живого относят следующие:

- Метаболизм. Наиболее важным свойством всех живых организмов является обмен веществ, или метаболизм, представляющий собой совокупность биохимических реакций, обеспечивающих жизнь. Живые организмы получают вещество, энергию и информацию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Процессы обмена веществ делят на анаболизм, или ассимиляцию, и катаболизм, или диссимиляцию. При анаболизме идет синтез сложных веществ из простых, сопровождающийся накоплением энергии. Катаболизм – это расщепление сложных веществ, сопровождающееся освобождением энергии. Эти две стороны обмена связаны неразрывно и протекают одновременно и непрерывно.

Каждый живой организм и каждая клетка представляют собой открытую термодинамическую систему, которая непрерывно превращает содержащуюся в органических веществах потенциальную (химическую) энергию в энергию всех рабочих процессов организма. В конечном счете, вся энергия уходит из организма в окружающую среду и рассеивается в ней. Баланс энтропии в открытой системе определяется процессами как внутри нее, так и процессами обмена с окружающей средой. Обмен веществ в живых организмах с точки зрения термодинамики необходим для того, чтобы воспрепятствовать увеличению энтропии, обусловленными внутренними необратимыми процессами в организме.

Существуют два вида питания организмов: автотрофное и гетеротрофное. Автотрофное питание означает синтез всех необходимых органических веществ из неорганических. Этим видом питания обладают растения и прокариоты. Зеленые растения синтезируют органические вещества с использованием энергии Солнца путем реакции фотосинтеза. В результате фотосинтеза создается основная масса органического вещества и поддерживается газовый состав атмосферы. Гетеротрофное питание означает получение органических веществ в готовом виде, оно характерно для животных, грибов и многих бактерий.

Обмен веществ может происходить без участия кислорода анаэробный обмен. У большинства организмов питательные вещества расщепляются и высвобождают энергию в процессе клеточного кислородного дыхания – аэробный обмен. При нем высвобождается гораздо больше энергии.

- Сложная структура. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах. Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. У растения или животного появляются новые ветви или органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.

- Раздражимость. Живые организмы активно реагируют на физические или химические факторы и их изменения в окружающей среде. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

- Размножение и рост. Все живое размножается и растет. Способность к самовоспроизведению – самая поразительная способность живых организмов. Потомство и похоже, и чем то отличается от своих родителей. В этом проявляется действие механизма наследственности.

- Адаптация. Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Адаптация помогает выжить организмам в постоянно меняющихся условиях внешней среды. Организм отвечает на изменения либо относительно быстро благодаря раздражимости, либо более длительно – путем возникновения мутаций и появления новых признаков, которые будут сохранены естественным отбором.

- Передача информации. Живые организмы способны передавать потомству заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

- Гомеостаз. Гомеостазом называется относительное динамическое постоянство состава и свойств организма, устойчивость его основных физиологических функций. Живые организмы, обитающие в непрерывно изменяющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью механизмов саморегуляции.

- Движение. Оно более заметно у животных, чем у растений.

Обобщая сказанное о специфике живого, можно отметить, что живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются, распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не размножаются, не растут.

Из совокупности вышеуказанных признаков вытекает следующее обобщение определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты. Один из главных критериев жизни – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

Современная теоретическая биология основные свойства живого формулирует в виде пяти аксиом [3]:

1. Все живые организмы характеризуются единством фенотипа (совокупностью всех признаков и свойств) и программой его построения – генотипа (совокупностью всех генов), передающегося по наследству из поколения в поколение (аксиома А.Вейсмана).

2. Генетическая программа образуется матричным путем, т.е. для строительства гена будущего поколения используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К.Кольцова).

3. При передаче генетические программы изменяются случайно и ненаправленно, также случайно они могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч.Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В.Тимофеева-Ресовского).

5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч.Дарвина).