Структурные уровни организации живых систем
Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.
Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.
Рассмотрим отдельные уровни организации живой материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия.
1. Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.
В состав всех живых организмов входят органические соединения – белки. Белки являются биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре низкомолекулярных соединений (мономеров). Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему разнообразные свойства. В состав белка входит 20 аминокислот-мономеров.
Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Но с химической точки зрения ни сам белок, ни его составные части не представляют ничего уникального. Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, обладающих свойствами кислот и названных нуклеиновыми (то есть ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой – ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Удалось доказать, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки – хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном белке из набора всех белков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах.
Изучение строения и функции молекул нуклеиновых кислот стало возможным лишь при использовании физических методов и представлений. Молекулярная биология, изучающая биологические объекты и процессы на молекулярном уровне, – один из наиболее ярких примеров современной тенденции к интеграции научного знания. В настоящее время известно о полной расшифровке четырех геномов: Джеймса Уотсона, автора концепции ДНК, Крейга Вентера, работающего над созданием «искусственной жизни», а также геномы китайского мужчины и мужчины из африканской этнической группы. В каждом случае было проанализировано по три миллиарда базовых пар ДНК, входящих в состав каждой клетки организма исследованных людей.
В январе 2008 года совместная команда британских, китайских и американских ученых объявила о старте международного проекта 1000 Genomes Project, основной задачей которого станет выявление и изучение генных отклонений в организме людей, которые приводят к заболеваниям. Для того, чтобы картина была объективной, ученые намерены составить полную карту генома по крайней мере 1000 человек.
2. Клеточный уровень. Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае – из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.
Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра – прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток с развитой структурой, то есть клеток, имеющих ядро – эукариотов.
Вирусы – мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Они находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.
3. Тканевый уровень. Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.
4. Органный уровень. Органы состоят из тканей и представляют собой относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют.
5. Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим. Живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплекс внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития).
6. Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция – это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс. У каждой популяции существуют количественные границы. С одной стороны – это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции; с другой – это максимум особей, который может прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д. Популяции являются генетически открытыми системами, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможен обмен генетической информацией. Популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению нового вида. Вид представляет собой генетически закрытую подсистему, так как скрещивание особей разного вида в подавляющем большинстве не ведет к появлению плодовитого потомства.
7. Биоценотический уровень образован биоценозами – исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ, например лес, луг, болото и т.д. Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций – это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях.
8. Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли. Биосфера – это живое вещество планеты и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Вернадский рассматривал жизнь как силу, действенно формирующую облик Земли. Живое вещество соединяет историю химических элементов с эволюцией биосферы. Живое и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. Биогенный ток атомов вызывается живым веществом и выражается в постоянном процессе дыхания, питания, размножения. В состав биосферы Вернадский включал:
· живое вещество – совокупность всех живых организмов Земли;
· биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ и т.д.);
· косное вещество, образованное в процессах без участия живого вещества;
· вещества, создаваемые живыми организмами и косными процессами, их динамическое равновесие;
· вещества, находящиеся в процессе радиоактиного распада;
· рассеяные атомы, выделяющиеся из земного вещества под влиянием космических излучений;
· вещество космического происхождения, включающее отдельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из космоса.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.
Источник
Уровни организации жизни
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.
Рис. 1. Молекулярно-генетический уровень
1. Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень (рис. 1). 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 макро- молекулярными 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.
Рис. 2. Клеточный уровень
2. Клеточныйуровенъ. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле (рис. 2). 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 (одноклеточные водоросли и простейшие) все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм. Вспомните одноклеточные водоросли, хламидомонады, хлореллу и простейших животных — амебу, инфузорию и др. У многоклеточных организмов одна клетка не может существовать как отдельный организм, но она является элементарной структурной единицей организма.
Рис. 3. Тканевый уровень
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 (рис. 3). Например, тела животных и человека состоят из четырех различных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). Растительные ткани называются: образовательная, покровная, опорная, проводящая и выделительная. Вспомните строение и функции отдельных тканей.
Рис. 4. Органный уровень
4. Органный уровень. У многоклеточных организмов объединение нескольких одинаковых тканей, сходных по строению, происхождению и функциям, образует органный уровень (рис. 4). 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.
Рис. 5. Организменный уровень
5. Организменный уровень. Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм (рис. 5). 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.
Рис. 6. Популяционно-видовой уровень
6. Популяционно-видовой уровень. Совокупность особей одного вида или 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 (рис. 6).
Рис. 7 Биогеоценотический уровень
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 (рис. 7).
Рис. 8. Биосферный уровень
8. Биосферный уровень. Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень (рис. 8). 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 жизни. Популяция. Биогеоценоз. Биосфера.
- В настоящее время выделяют несколько уровней организации живых организмов: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.
- На популяционно-видовом уровне осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
- Клетка — самая элементарная структурная и функциональная единица всех живых организмов.
- Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань.
- Совокупность всех живых организмов на планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень.
- Назовите по порядку уровни организации жизни.
- Что такое ткань?
- Из каких основных частей состоит клетка?
- Для каких организмов характерен тканевый уровень?
- Дайте характеристику органного уровня.
- Что такое популяция?
- Дайте характеристику организменному уровню.
- Назовите особенности биогеоценотического уровня.
- Приведите примеры взаимосвязанности уровней организованности жизни.
Заполните таблицу, показывающую структурные особенности каждого уровня организации:
Источник