Все живые организмы в природе состоят из одинаковых уровней организации, это общая для всех живых организмов характерная биологическая закономерность. Выделяют следующие уровни организации живых организмов - молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.
1. Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макромолекулярными веществами. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.
2. Клеточный уровень. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле. Отдельные органоиды в составе клетки имеют характерное строение и выполняют определенную функцию. Функции отдельных органоидов в клетке взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности. У одноклеточных организмов все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм (одноклеточные водоросли, хламидомонады, хлорелла и простейшие животные - амеба, инфузория и др.). У многоклеточных организмов одна клетка не может существовать как отдельный организм, но она является элементарной структурной единицей организма.
3. Тканевый уровень.
Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань. Тканевый уровень характерен только для многоклеточных организмов. Также отдельные ткани не являются самостоятельным целостным организмом. Например, тела животных и человека состоят из четырех различных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). Растительные ткани называются: образовательная, покровная, опорная, проводящая и выделительная.
4.Органный уровень.
У многоклеточных организмов объединение нескольких одинаковых тканей, сходных по строению, происхождению и функциям, образует органный уровень. В составе каждого органа встречается несколько тканей, но среди них одна наиболее значительная. Отдельный орган не может существовать как целостный организм. Несколько органов, сходных по строению и функциям, объединяясь, составляют систему органов, например пищеварения, дыхания, кровообращения и т. д.
5. Организменный уровень.
Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм. А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, - питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать в тесной взаимосвязи с окружающей средой.
6. Популяционно-видовой уровень.
Совокупность особей одного вида пли группы, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, составляет популяцию. На популяционном уровне осуществляются простейшие эволюционные преобразования, что способствует постепенному появлению нового вида.
7. Биогеоценотический уровень.
Совокупность организмов разных видов и различной сложности организации, приспособленных к одинаковым условиям природной среды, называется биогеоценозом, или природным сообществом. В состав биогеоценоза входят многочисленные виды живых организмов и условия природной среды. В природных биогеоценозах накапливается энергия и передается от одного организма к другому. Биогеоценоз включает неорганические, органические соединения и живые организмы.
8. Биосферный уровень.
Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень. На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Главную роль в биосферном уровне выполняют " живые вещества", т. е. совокупность живых организмов, населяющих Землю. Также в биосферном уровне имеют значение " биокосные вещества", образовавшиеся в результате жизнедеятельности живых организмов и " косных" веществ, т. е. условий окружающей среды. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы.
Уровни организации живой природы.
Вся живая природа представляет собой совокупность биологических систем (от греч. systema - целое, состоящее из взаимосвязанных частей) разного уровня организации и различной соподчиненности. Ученые выделяют несколько уровней организации живой природы: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный. На молекулярном уровне изучаются молекулы, которые находятся в клетке, их строение и функции. На клеточном уровне – строение клеток, строение и функции ее отдельных органоидов; на организменном – строение тканей, органов и систем органов целостного организма. На популяционно-видовом уровне изучаются структура вида, характеристика популяций. На экосистемном (биогеоценотическом) уровне изучается структура биогеоценозов; на биосферном уровне – изучаются оболочки Земли, заселенные живыми организмами (литосфера, гидросфера, атмосфера).
Изучение уровней организации биологических систем дает возможность теоретически представить, как могли возникнуть первые живые организмы, и как происходил на Земле процесс эволюции от простейших систем к системам более сложным и высокоорганизованным. Для того чтобы понять это, необходимо познакомиться с особенностями живых систем на каждом уровне организации.
Молекулярный уровень.
Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул. Молекулярный уровень можно назвать начальным, наиболее глубинным уровнем организации живого. Каждый живой организм состоит из молекул органических веществ - белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров (липидов), находящихся в клетках и получивших название биологических молекул.
Биологи исследуют роль этих важнейших биологических соединений в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, обмене веществ и превращении энергии в живых клетках и в других процессах.
Изучая живые организмы, вы узнали, что они состоят из тех же химических элементов, что и неживые. В настоящее время известно более 100 элементов, большинство из них встречается в живых организмах. К самым распространенным в живой природе элементам следует отнести углерод, кислород, водород и азот.
Основой всех органических соединений служит углерод. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, различные по химическому составу, строению, длине и форме. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних - сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Эти органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов, получили название биологические полимеры, или биополимеры.
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ
Живая природа является целостной, но неоднородной системой, которой свойственна иерархическая организация. Под системой, в науке понимают единство, или целостность, составленное из множества элементов, которые находятся в закономерных отношениях и связях друг с другом. Главные биологические категории, такие, как геном (генотип), клетка, организм, популяция, биогеоценоз, биосфера, представляют собой системы. Иерархической называется система, в которой части, или элементы, расположены в порядке от низшего к высшему. Так, в живой природе биосфера слагается из биогеоценозов, представленных популяциями организмов разных видов, а тела организмов имеют клеточное строение.
Иерархический принцип организации позволяет выделить в живой природе отдельные уровни, что удобно с точки зрения изучения жизни как сложного природного явления.
В медико-биологической науке широко используют классификацию уровней в соответствии с важнейшими частями, структурами и компонентами организма, являющимися для исследователей разных специальностей непосредственными объектами изучения. Такими объектами могут быть организм как таковой, органы, ткани, клетки, внутриклеточные структуры, молекулы. Выделение уровней рассматриваемой классификации хорошо согласуется с разрешающей способностью методов, которыми пользуются биологи и врачи: изучение объекта невооруженным глазом, с помощью лупы, светооптического микроскопа, электронного микроскопа, современных физико-химических методов. Очевидна связь этих уровней и с типичными размерами изучаемых биологических объектов (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Уровня организации (изучения), выделяемые в многоклеточном организме (по Э. Дс. Робертсу и др., 1967, с изменениями)
Взаимопроникновение идей и методов различных областей естествознания (физики, химии, биологии), возникновение наук на стыке этих областей (биофизика, биохимия, молекулярная биология) повлекли за собой расширение классификации, вплоть до выделения молекулярного и электронно-атомного уровней. Медико-биологические исследования, проводимые на этих уровнях, уже сейчас дают практический выход в здравоохранение. Так, приборы, основанные на явлениях электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса, с успехом применяют для диагностики заболеваний и состояний организма.
Возможность исследовать фундаментальные биологические процессы, происходящие в организме, на клеточном, субклеточном и даже молекулярном уровнях является выдающейся, но не единственной отличительной чертой современной биологии. Для нее типичен углубленный интерес к процессам в сообществах организмов, которые определяют планетарную роль жизни.
Таким образом, классификация пополнилась надорганизменными уровнями, такими, как видовой, биогеоценотический, биосферный.
Разобранной выше классификации придерживается большинство конкретных медико-биологических и антропобиологических наук. Это неудивительно, так как она отражает уровни организации живой природы через исторически сложившиеся уровни ее изучения. В задачу курса биологии медицинского вуза входит преподать наиболее полную характеристику биологического «наследства» людей. Для решения этой задачи целесообразно воспользоваться классификацией, наиболее близко отражающей именно уровни организации жизни.
В названной классификации выделяются молекулярно-генетический, клеточный, Организменный, или онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический уровни. Особенность данной классификации заключается в том, что отдельные уровни иерархической системы жизни определяются в ней на общей основе выделения для каждого уровня элементарной единицы и элементарного явления. Элементарная единица - это структура или объект, закономерные изменения которых, обозначаемые как элементарное явление, составляют специфический для соответствующего уровня вклад в процесс сохранения и развития жизни. Соответствие выделяемых уровней узловым моментам эволюционного процесса, вне которого не стоит ни одно живое существо, делает их всеобщими, распространяющимися на всю область жизни, включая человека.
Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген - фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем биологической (генетической) информации. Элементарное явление заключается прежде всего в процессе конвариантной редупликации, или самовоспроизведении, с возможностью некоторых изменений в содержании закодированной в гене информации. Путем редупликации ДНК происходит копирование заключенной в генах биологической информации, что обеспечивает преемственность и сохранность (консерватизм) свойств организмов в ряду поколений. Редупликация, таким образом, является основой наследственности.
В силу ограниченной стабильности молекул или ошибок синтеза в ДНК (время от времени, но неизбежно) случаются нарушения, которые изменяют информацию генов. В последующей редупликации ДНК эти изменения воспроизводятся в молекулах-копиях и наследуются организмами дочернего поколения. Указанные изменения возникают и тиражируются закономерно, что и делает редупликацию ДНК конвариантной, т.е. происходящей иногда с некоторыми изменениями. Такие изменения в генетике получили название генных (или истинных) мутаций. Конвариантность редупликации, таким образом, служит основой мутационной изменчивости.
Биологическая информация, заключающаяся в молекулах ДНК, не участвует непосредственно в процессах жизнедеятельности. Она переходит в действующую форму, будучи перенесена в молекулы белков. Отмеченный перенос осуществляется благодаря механизму матричного синтеза, в котором исходная ДНК служит, как и в случае с редупликацией, матрицей (формой), но для образования не дочерней молекулы ДНК, а матричной РНК, контролирующей биосинтез белков. Отмеченное дает основание причислить матричный синтез информационных макромолекул также к элементарному явлению на молекулярно-генетическом уровне организации жизни.
Воплощение биологической информации в конкретные процессы жизнедеятельности требует специальных структур, энергии и разнообразных химических веществ (субстратов). Описанные выше условия в живой природе обеспечивает клетка, служащая элементарной структурой клеточного уровня. Элементарное явление представлено реакциями клеточного метаболизма, составляющими основу потоков энергии, веществ и информации. Благодаря деятельности клетки поступающие извне вещества превращаются в субстраты и энергию, которые используются (в соответствии с имеющейся генетической информацией) в процессе биосинтеза белков и других соединений, необходимых организму. Таким образом, на клеточном уровне сопрягаются механизмы передачи биологической информации и превращения веществ и энергии. Элементарное явление на этом уровне служит энергетической и вещественной основой жизни на всех других уровнях ее организации.
Элементарной единицей организме/того уровня является особь в ее развитии от момента зарождения до прекращения существования в качестве живой системы, что позволяет также назвать этот уровень онтогенетическим. Закономерные изменения организма в индивидуальном развитии составляют элементарное явление данного уровня. Эти изменения обеспечивают рост организма, дифференциацию его частей и одновременно интеграцию развития в единое целое, специализацию клеток, органов и тканей. В ходе онтогенеза в определенных условиях внешней среды происходит воплощение наследственной информации в биологические структуры и процессы, на основе генотипа формируется фенотип организмов данного вида.
Элементарной единицей популяционно-видового уровня служит популяция - совокупность особей одного вида. Объединение особей в популяцию происходит благодаря общности генофонда, используемого в процессе полового размножения для создания генотипов особей следующего поколения. Популяция в силу возможности межпопуляционных скрещиваний представляет собой открытую генетическую систему. Действие на генофонд популяции элементарных эволюционных факторов, таких, как мутационный процесс, колебания численности особей, естественный отбор, приводит к эволюционно значимым изменениям генофонда, которые представляют элементарные явления на данном уровне.
Организмы одного вида населяют территорию с известными абиотическими показателями (климат, химизм почв, гидрологические условия) и взаимодействуют с организмами других видов. В процессе совместного исторического развития на определенной территории организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые во времени сообщества - биогеоценозы, которые служат элементарной единицей биогеоценотического (экосистемного) уровня. Элементарное явление на рассматриваемом уровне представлено потоками энергии и круговоротами веществ. Ведущая роль в этих круговоротах и потоках принадлежит живым организмам. Биогеоценоз - это открытая в вещественном и энергетическом плане система. Биогеоценозы, различаясь по видовому составу и характеристикам абиотической своей части, объединены на планете в единый комплекс - область распространения жизни, или биосферу.
Приведенные выше уровни отражают важнейшие биологические явления, без которых невозможны эволюция и, следовательно, само существование жизни. Хотя элементарные единицы и явления на выделяемых уровнях различны, все они тесно взаимосвязаны, решая свою специфическую задачу в рамках единого эволюционного процесса. С конвариантной редупликацией на молекулярно-генетическом уровне связаны элементарные основы этого процесса в виде явлений наследственности и истинной мутационной изменчивости. Особая роль клеточного уровня состоит в энергетическом, вещественном и информационном обеспечении происходящего на всех других уровнях. На онтогенетическом уровне биологическая информация, находящаяся в генах, преобразуется в комплекс признаков и свойств организма. Возникающий таким образом фенотип становится доступным действию естественного отбора. На популяционно-видовом уровне определяется эволюционная ценность изменений, относящихся к молекулярно-генетическому, клеточному и онтогенетическому уровням. Специфическая роль биогеоценотического уровня состоит в образовании сообществ организмов разных видов, приспособленных к совместному проживанию в определенной среде обитания. Важной отличительной чертой таких сообществ является их устойчивость во времени.
Рассмотренные уровни отражают общую структуру эволюционного процесса, закономерным результатом которого является человек. Поэтому типичные для этих уровней элементарные структуры и явления распространяются и на людей, правда, с некоторыми особенностями в силу их социальной сущности.
Молекулярно-генетический . Элементарная единица организации – ген. Элементарное явление – редупликация ДНК, перенос генетической информации в дочернюю клетку. Молекулярный уровень организации жизни является предметом изучения молекулярной биологии. Она изучает строение белков, их функции (в том числе как ферментов), роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетической информации, т.е. процессы синтеза ДНК, РНК, белков.
Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками – самостоятельными организмами (бактерии, простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта клеточного уровня заключается в том, что с этого уровня начинается жизнь , так как возникающий на молекулярном уровне матричный синтез происходит в клетках. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, ее элементарными единицами, из которых построены все живые существа. Характерной особенностью клеточного уровня является специализация клеток. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и времени.
Тканевый уровень. Ткань – совокупность клеток, имеющих общее происхождение, сходное строение и выполняющих одинаковые функции. У млекопитающих, например, выделяют четыре основных типа тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная.
Организменный (онтогенетический) уровень. На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы, в том числе дифференцировку, механизмы адаптации и поведения. Элементарная неделимая единица организации жизни на этом уровне – особь. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это могут быть и одноклеточные индивидуумы, и многоклеточные, состоящие из миллионов и миллиардов клеток.
Популяционно-видовой уровень. Основной элементарной, структурной единицей на этом уровне является популяция. Популяция – локальная, географически отделенная в той или иной степени от других группа особей одного вида, свободно скрещивающихся друг с другом и имеющих общий для них генетический фонд. Элементарное явление популяционно-видового уровня – изменение генотипического состава популяции, а элементарный материал – мутация. На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамику генетического состава популяций.
Биоценотический уровень. Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества. Такие сообщества в конкретных участках биосферы называют биоценозами. Биоценоз – комплекс, складывающийся из растительного сообщества (фитоценоза), населяющего его животного мира (зооценоза), микроорганизмов и соответствующего участка земной поверхности. Все компоненты биоценоза связаны между собой круговоротом веществ. Биоценоз – продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению.
Материи - это условное обозначение, принятое для классификации всех живых организмов на нашей планете. Живая природа Земли поистине разнообразна. Организмы могут принимать различные размеры: начиная от простейших и одноклеточных микробов, переходя к многоклеточным существам, и заканчивая самыми крупными животными на земле - китами.
Эволюция на Земле происходила таким образом, что организмы развивались от простейших (в прямом смысле) к более сложным. Так, то возникая, то исчезая, новые виды совершенствовались в ходе эволюции, принимая все более причудливый облик.
Чтобы систематизировать это невероятное количество живых организмов, и были введены уровни организации живой материи. Дело в том, что, несмотря на различия во внешнем виде и в строении, все организмы живой природы имеют общие черты: они так или иначе состоят из молекул, имеют в своем составе повторяющиеся элементы, в том или ином смысле - общие функции органов; они питаются, размножаются, стареют и умирают. Иными словами, свойства живого организма, несмотря на внешние различия, схожи. Собственно, ориентируясь на эти данные, можно проследить, как проходила эволюция на нашей планете.
2. Надмолекулярный или субклеточный. Уровень, на котором происходит структуризация молекул в органоиды клетки: хромосомы, вакуоли, ядро и т. д.
3. Клеточный. На этом уровне материя представлена в виде элементарной функциональной единицы - клетки.
4. Органно-тканевой уровень. Именно на этом уровне образуются все органы и ткани живого организма вне зависимости от их сложности: головной мозг, язык, почка и др. При этом следует иметь в виду, что ткань - совокупность клеток, объединенных общим строением и функцией. Орган - часть организма, в «обязанности» которой входит выполнение четко определенной функции.
5. Онтогенетический или организменный уровень. На этом уровне различные по функциональности органы объединяются в целостный организм. Говоря иначе, этот уровень представлен уже целостным индивидом любого вида.
6. Популяционно-видовой. Организмы или индивиды, имеющие сходное строение, функции и схожий облик и тем самым относящиеся к одному виду, включаются в одну популяцию. В биологии под популяцией понимают совокупность всех особей данного вида. В свою очередь, все они образуют генетически единую и обособленную систему. Популяция обитает в определенном месте - ареале и, как правило, не пересекается с представителями других видов. Вид, в свою очередь, представляет собой совокупность всех популяций. Живые организмы могут скрещиваться и производить потомство лишь в рамках своего вида.
7. Биоценотический. Уровень, на котором живые организмы объединяются в биоценозы - совокупность всех популяций, проживающих на конкретной территории. Принадлежность к тому или иному виду в этом случае не имеет значения.
8. Биогеоценотический. Этот уровень обусловлен образованием биогеоценозов, то есть совокупности биоценоза и неживых факторов (почва, климатические условия) в той области, где биоценоз обитает.
9. Биосферный. Уровень, объединяющий все живые организмы на планете.
Таким образом, уровни организации живой материи включают в себя девять пунктов. Подобная классификация определяет существующую в современной науке систематизацию живых организмов.
