БИОЛОГИЯ ИЗУЧАЕТ ВСЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЖИЗНИ НА ЛЮБОМ УРОВНЕ ЕЕ ОРГАНИЗАЦИИ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО:

1. Самообновление – характеризуется как восстановление макромолекул, органоидов и клеток при их постепенном разрушении. Обеспечивается за счет потоков вещества и энергии.

2. Самовоспроизведение – живое существо воспроизводит себе подобных - характеризуется тем, что обеспечивает преемственность между поколениями молекул ДНК (репликация), клеток (деление) и организмов (размножение)

Самовоспроизведение обеспечивается в основном потоками информации.

3. Саморегуляция – обеспечивает регуляцию структуры и функций на всех уровнях организации живого (обменные процессы в клетках, деление клеток, рост и развитие организмов, взаимоотношения организмов в биогеоценозах). Обеспечивается потоками вещества, энергии и информации. Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления. При саморегуляции и самоорганизации управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. Это означает, что живые системы – самоуправляющиеся системы.

 

ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ

1. Единство химического состава и структурная организация.

Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах ~ 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (~62%), углерод (~20 %),водород (~10%), азот (~3%), кальций (~2,5%), фосфор (~1,0 %). Такой элементный состав объясняется присутствием в живых организмах большого количества воды и органических веществ.

4 крупных группы сложных органических молекул - нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и жиры; они неживым системам не присущи.

2. Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.

3. Обмен веществ и энергии - открытость живых систем (зависимость от притока энергии и вещества поступающих в виде пищи из окружающей среды -энергозависимость).

Живые системы – открытые системы. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ – метаболизм – обеспечивается жизнеспособность живого. Основа метаболизма – анаболизм (ассимиляция), то есть синтез веществ, и катаболизм (диссимиляция), то есть распад сложных веществ на простые с выделением энергии, которая используется для биосинтеза. Обмен веществ требует постоянного притока некоторых веществ и энергии из вне (пища, свет), газообмен и выделения некоторых продуктов диссимиляции во внешнюю среду.

·                     (поглощение из окружающей среды необходимых веществ, синтез из них биополимеров и выделение продуктов жизнедеятельности)

•              осуществление потока веществ и энергии через организмы обусловлено свойствами белков (особенно их каталитической активностью) и нуклеиновых кислот

•              в результате распада сложных органических веществ выделяется энергия,необходимая для реакций биосинтеза

По типу ассимиляции (питания, источнику энергии, источнику углерода) живые организмы подразделяются на:

- автотрофные – способны создавать органические вещества из неорганических:

·                     фотосинтезирующие  – содержащие пигменты, для синтеза органических веществ, используют энергию Солнца – цианобактерии, фотосинтез у анаэробных бактерий протекает без выделения кислорода – пурпурные и зеленые бактерии, растения

·                     хемосинтезирующие  – нитрифицирующие, железобактерии, водородные, серобактерии, бактерии, окисляющие сурьму; для синтеза органических веществ используют энергию экзотермических химических реакций;

- гетеротрофные – используют для своего питания готовые органические вещества:

·                     симбионты  – кишечная палочка, синтезирует витамины группы В и К, ризобиум – клубеньковая бактерия, симбиоз бактерий и грибов – лишайники, симбиотические простейшие;

·                     сапрофиты  – используют разлагающиеся мертвые тела или выделения живых организмов

·                     паразиты - используют органические вещества тела хозяина.

По типу диссимиляции (по способу использования кислорода) живые организмы подразделяются:

 – аэробные  – для жизнедеятельности нуждаются в свободном кислороде (бактерии, грибы, растения, животные);

-         анаэробные  – используют энергию, выделяемую в реакциях брожения – некоторые бактерии, животные-паразиты - глисты.

4. Саморегуляция (авторегуляция, гомеостаз) – свойство живых (открытых) систем автоматически устанавливать и поддерживать относительное и динамическое постоянство (на определенном уровне) состава и свойств своей внутренней среды (химического состава – цитоплазмы клеток и плазмы крови, строение частей организма и физиологических процессов – кровяного давления и др.) и регулировать интенсивность обменных процессов в постоянно меняющихся условиях среды. Обеспечивается обменом веществ (ассимиляцией и диссимиляцией) и деятельностью регуляторных систем – нервной, эндокринной, иммунной и др и с помощью биологически активных веществ (гормонов, ферментов, витаминов и т. д.).

Примеры гомеостаза:

Регуляция количества минеральных веществ и воды в теле — осморегуляция. Осуществляется в почках.

Удаление отходов процесса обмена веществ — выделение. Осуществляется экзокринными органами — почками, лёгкими, потовыми железами и желудочно-кишечным трактом.

Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции.

Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью, инсулином и глюкагоном, выделяемыми поджелудочной железой.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

5. Поддержание непрерывности жизни связано с самовоспроизведением (репродукцией), благодаря чему живое существо воспроизводит себе подобных.

·       существование каждой отдельной биологической системы ограничено во времени, поэтому жизнь на любом уровне связана с репродукцией

·       размножение  (репродукция) обеспечивает поддержание жизни в ряду поколений

В основе репродукции лежит редупликация (репликация) ДНК, для РНК-содержащих вирусов – репликация РНК - реакции матричного синтеза.

Этот процесс осуществляется на всех уровнях организации живого:

·                     редупликация (репликация) ДНК – на молекулярном уровне;

·                     удвоение пластид, центриолей, митохондрий в клетке – на субклеточном уровне

·                     деление клетки путем простого деления (бактерии) или митоза (эукариоты) – на клеточном уровне

·                     поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток – на тканевом уровне;

·                     бесполое и половое размножение – на организменном уровне.

6. Наследственность - способность родительских организмов передавать информацию о признаках (любая особенность строения на любом уровне организации живого) и свойствах (функциональные особенности задаваемые конкретными структурами) и особенностях развития от предков потомкам (из поколения в поколение) в процессе размножения (репродукции), что обеспечивает сохранение видов и их адаптаций (приспособлений) к среде обитания. Обусловлена относительной стабильностью молекул ДНК.

·       обеспечивает материальную преемственность (поток информации) между поколениями организмов

·       хранение и передача наследственной информации осуществляются на основе генетического кода нуклеиновыми кислотами - ДНК, РНК, обеспечивающие авторепродукцию жизни на молекулярном, субмолекулярном и клеточном уровне

7. Изменчивость - способность организмов приобретать новые наследственные свойства и признаки, отличающие их от родителей в процессе репродукции (размножения). В ее основе лежат изменения биологических матриц – молекул ДНК (Для РНК вирусов). Это явление противоположно наследственности.

·       связана с нарушениями в процессе самовоспроизведения и повреждениями генетических структур (ДНК, хромосом)

·       чаще всего носит негативный характер для организма в стабильных условиях внешней среды.

·       является элементарным фактором эволюции (поставляет материал для естественного отбора)

Изменчивость обеспечивает приспособление живых систем к меняющимся условиям существования, а также возникновения новых форм жизни.

8. Способность к росту и развитию.

Развитие – направленный, необратимый, закономерный процесс качественных  изменений организма.

Онтогенез – процесс индивидуального развития от момента рождения до смерти. В основе онтогенеза лежит поэтапная реализация наследственных программ.

Развитие сопровождается ростом.

Рост - увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения за счет веществ, поступивших в процессе питания. В основе роста лежит репродукция структур на всех уровнях организации внутри организма.

Организмы способны расти и развиваться за счет деления и дифференцировки клеток, которые обусловлены реализацией генетической информации в онтогенезе.

·       продолжительность жизни (онтогенеза) ограничена процессами старения

9. Раздражимость – свойство живых систем воспринимать воздействия окружающей среды и избирательно и адекватно реагировать на них. Она заключается в передаче информации от внешней среды к организму.

Это таксисы (направленные движения организма в сторону или от раздражителя), тропизмы (направленный рост растений  по отношению к раздражителю), настии (движения частей растений по отношению к раздражителю) и рефлексы (реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляемое посредством нервной системы).  

Регуляторные системы многоклеточных, обеспечивающие реагирование организма и ответ на действие фактора – нервная, гуморальная, иммунная.

На основе способности к раздражимости в ходе эволюции возникает чувствительность, а у более высокоорганизованных существ на базе чувствительности возникает восприятие.

На основе раздражимости осуществляется саморегуляция (гомеостаз) – это свойство позволяет организму оптимально перестраивать свою жизнедеятельность в соответствии с возникшими условиями.

10. Целостность и дискретность. Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Например: организм состоит из клеток, являющихся живыми системами; биоценоз состоит из совокупностей популяций различных видов, которые также являются живыми системами. Дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности. С дискретностью связаны различные уровни организации живых систем.

Целостность как свойство живого представляет собой определенную организованность живой системы и подчиненность ее частей общим законам. Входящие в состав живой системы элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи и взаимодействии с другими элементами системы.

Целостность и упорядоченность поддерживаются наряду с осуществлением различных функций организмами благодаря способности к обмену веществ и энергией с окружающей средой.

11. Живое характеризуется сложностью и большей упорядоченностью структур всех уровней организации от молекул до биосферы в целом. Она обеспечивается целостностью и дискретностью.

12. Способность к историческому развитию живых организмов – от простой организации к сложной. Необратимое, направленное изменение объектов живой природы, сопровождающееся приобретением адаптаций (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм  называется эволюцией (постепенным развитием). Результатом эволюции является все многообразие живых организмов, приспособленных к определенным условиям существования и прогрессивное усложнение. Эволюционное развитие осуществляется в результате наследственной изменчивости, естественного отбора и борьбы за существование.

Развитие жизни на земле с момента ее возникновения до настоящего времени называется филогенезом.

13. Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.

14. Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) до биосферы в целом всё живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня

Специфика живого заключается в том, что ни один из перечисленных признаков (а их число составляет по данным разных ученых до 20-30 – подвижность, цикличность, включенность в процесс эволюции и пр.) не является самым главным, определяющим для того, чтобы систему можно назвать целостной живой системой. Только наличие всех этих признаков вместе взятых позволяет провести границу между живым и неживым в природе.

Если некий объект обладает перечисленными признаками, то он является живым, если какое-то из перечисленных свойств ему не присуще, то он принадлежит неживой природе.

Единственный способ дать определение живому – перечислить основные свойства живых систем.

 

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Живая природа - упорядоченная, целостная, открытая, но неоднородная система, состоящая из дискретных единиц, которой свойственна иерархичность организации.

Система - целостность, состоящая из множества элементов, находящихся в закономерных отношениях. Иерархичная система - система, части которой расположены в порядке от низшего к высшему.

•              иерархический принцип организации живой материи позволяет выделить отдельные уровни (на основе принципа дискретности жизни)

Уровень организации - это функциональное место биологической системы в общей системе органического мира

•              существование жизни на каждом уровне определяется и подготавливается структурой низшего уровня

•              иерархические уровни организации живого соответствуют узловым моментам эволюции органического мира

•              отдельные иерархические уровни определяются элементарной единицей и элементарным явлением

Элементарная единица - структура (объект), изменение которой составляет элементарное явление      (вклад в сохранение и развитие жизни)

общими для всех уровней организации являются -  дискретность, целостность, структурная организация, обмен веществ, энергии и информации

Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней. Уровень организации живой материи — это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого.

Все  уровни   организации   жизни    -    это   биологические   системы   с   основными   свойствами, присущими всему живому.

1. Молекулярный (молекулярно-генетический).

Определяется:

·                     химическим составом,

·                     биохимическими (обмен веществ и превращение энергии)

·                     генетическим (хранение и передача наследственной информации) процессами протекающими в живых системах.

Элементарная единица уровня – биополимеры, главные – белки и нуклеиновые кислоты. Уровень функционирования биологических макромолекул. Механизм осуществления элементарного явления - матричный синтез.

На этом уровне происходит передача генетической информации дочерним молекулам ДНК (репликация) и молекулам белка (транскрипция и трансляция).

2.   Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды – элементарные структуры: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры. Элементарное явление - функциональная активность органоидов

3.   Клеточный. На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого, наименьшей единицей самовоспроизведения и  развития организмов.

Обусловлен:

·                     строением и жизнедеятельностью клеток,

·                     их специализацией в процессе развития,

·                     механизмами деления клеток и их взаимодействиями в многоклеточном организме.

Особенности:

•              в структуре и функция клеток растений и животных нет принципиальных различий

•              с этого уровня начинается жизнь (возможность матричного синтеза биополимеров)

•              обеспечивает структуры, процессы, энергетику и химические субстраты для реализации генетической информации

•              элементарное явление - реакции клеточного метаболизма, регулируемые белками ферментами.   - основа потоков энергии, вещества и информации, которые возможны только на клеточном уровне

•              характерная особенность клеточного уровня - специализация клеток и раздражимость

•              клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. Уровень клеток (клеток бактерий, цианобактерий, одноклеточных животных и водорослей, одноклеточных грибов, клеток многоклеточных организмов).

Этот уровень изучают цитология, цитохимия, цитогенетика, микробиология

4.   Органно-тканевой. На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы.

Ткань — совокупность клеток, сходных по строению,  функциям и происхождению, а также связанных с ними межклеточных веществ.

•              возник в ходе эволюционного развития вместе с многоклеточностью

•              у многоклеточных организмов образуется в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток

•              ткани сходны на уровне многоклеточных животных - 5 основных тканей и растений - 6 основных тканей

•              совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, образуют органы

Уровень, на котором изучается строение и функционирование тканей. Исследуется этот уровень гистологией и гистохимией.

Орган — часть многоклеточного организма, совокупность тканей, выполняющих определенную общую функцию, занимающих определенное место в многоклеточном организме и имеющая харак­терную форму и строение. Органы объединяются в системы органов.

Уровень органов многоклеточных организмов. Изучают этот уровень анатомия, физиология, эмбриология.

5.   Организменный (онтогенетический). Организм (особь, индивид) — неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками. Организм – одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию.

На этом уровне изучаются:

·                     особенности строения и функционирования отдельных особей,

·                     механизмы согласованной работы органов и систем органов у многоклеточных

·                     приспособительные реакции на изменения окружающей среды.

Особенности:

•              элементарная структура - особь - элементарная единица жизни (представлена одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы)

•              происходит от одного зачатка (зиготы, споры, части другого организма)

•              элементарное явление - закономерное изменение организма в процессе индивидуального развития (онтогенеза) - рост, дифференциация, интеграция частей, возможные только на этом уровне

•              на этом уровне происходит реализация наследственной информации генотипа в онтогенезе - закономерные изменения организма в процессе индивидуального развития – формирование фенотипа.

•              существует в виде огромного разнообразия форм (более миллиона видов  животных и около 500 тысяч видов растений)

•              вне особей жизни в природе не существует

•              осуществляется саморегуляция гомеостаза  с помощью нервной и эндокринной систем

•              подвержен действию эволюционных и экологических факторов

Следующие уровни – надорганизменные.

6.   Популяционно-видовой. Популяция — совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид — совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал) – генетически стабильная система.

На этом уровне происходят взаимоотношения между особями популяций, их генофондом (свободное скрещивание), взаимоотношения с окружающей средой.

Популяция – элементарная единица вида и эволюции, т.к. в ней происходят элементарные эволюционные процессы – влияющие на изменение ее генофонда.

Этот уровень изучается систематикой, экологией, биогеографией, генетикой популяций. На этом уровне изучаются генетические и экологические особенности популяций, элементарные эволюционные факторы и их влияние на генофонд

7   Биогеоценотический (экосистемный). На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз — совокупность организмов (популяций) разных видов обитающих на определенной территории (биоценоз или экосистема) и абиотических (физических) факторов среды их обитания (климат, почва, рельеф, соленость). На этом уровне происходит круговорот веществ и энергии (элементарное явление).  Т.е. элементы биогеоценоза связаны обменом веществ, энергии и информации.

На этом уровне изучаются типы питания, типы взаимоотношений организмов и популяций в экосистеме, численность популяций, динамика численности популяций, плотность популяций, продуктивность экосистем, сукцессии. Этот уровень изучает экология.

8.   Биосферный. Биосфера — оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов – состоит из совокупности биогеоценозов, функционирует как единая целостная система.

Биосфера - часть атмосферы, литосферы и гидросферы, занятая живыми организмами или следами их деятельности

•              самый высокий уровень организации живого (живых систем)

•              объединяет все вещественно-энергетические круговороты в единый глобальный, планетарный круговорот веществ и энергии

Необходимо отметить, что биогеоценотический и биосферный уровни организации живой материи выделяют не всегда, поскольку они представлены биокосными системами, включающими не только живое вещество, но и неживое. Также часто не выделяют субклеточный и органно-тканевой уровни, включая их в клеточный и организменный соответственно.

Общие замечания

•              на всех уровнях жизнь представляет из себя открытую систему, условием существования которой является непрерывный поток энергии и материи

•              для молекулярного и субклеточного (надмолекулярного) уровней окружающей средой является внутренняя среда клетки

•              для клеток, тканей и органов - внутренняя среда организма (внешняя живая и неживая среда  на этих уровнях воспринимается опосредованно, т.е. через изменение внутренней среды)

•              для организмов и их сообществ среду составляют другие организмы и условия неживой природы

•              между различными уровнями организации живого существует диалектическое единство (при переходе от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов предшествующих уровней и сопровождается возникновением новых структур и функций)

•              представление о биологической форме существования материи складывается только при комплексном изучении явлений жизни на всех уровнях