5.1. Особенности биологического уровня организации материи. Клетка и ее функции

Современное естествознание - совокупность наук, тесно связанных между собой и отражающих единый мир. Природный мир многообразен, поэтому каждая из естественных наук имеет свой предмет, изучает тот или иной вид материи. Одной из таких наук является биология, изучающая живую материю.

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

По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая микроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология, исследующая строение живых клеток.

В биологии выделяют три основных этапа развития: 1) систематики (К. Линней), 2) эволюционный (Ч. Дарвин), 3) биология микромира (Г. Мендель).

Рассмотрим основные признаки живого, его сущность.

Жизнь – это способ существования белковых тел, с присущим ему характерным обменом веществ с окружающей их внешней средой.

Современная биология при описании живого перечисляет основные свойства живых организмов. Считается, что только совокупность данных свойств дает представление о специфике жизни.

К числу свойств живого обычно относят следующие:

* Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

* Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.

* Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

* Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у растения или животного появляются новые ветви, или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.

* Все живое размножается. Эта способность к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и одновременно чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.

* Сходство потомства с родителями обусловлено еще одной замечательной особенностью живых организмов – передавать потомкам 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. Потомки похожи на родителей, однако информация в процессе передачи видоизменяется, искажается.

* Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение живых организмов - крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствуют условиям, в которых они живут.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное 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.

Жизнь, по мнению Ф. Типлера, лишь некая закодированная информация, которая сохраняется естественным отбором ”. Тогда жизнь, как информация является вечной, бесконечной и бессмертной. Ценность этого определения состоит в попытке выделения из всех критериев жизни в качестве главного – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

Если подходить к уровням организации живого через критерий масштабности наиболее распространенными являются следующие:

* Биосферный – содержащий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне рассматривается проблема изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, которая по расчетам ежегодно возрастает на 0,4%. Данный факт создает опасность глобального повышения температуры, резкого возрастания “парникового эффекта”.

* Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

* Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяции.

* Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

* Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

* Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации, развитие генной инженерии и биотехнологии.

На каждом из основных уровней организации природы имеются свои, особые “первокирпичники”. В биологии к ним относится клетка, в физике - фундаментальные частицы – кварки. В сфере химических наук место “первокирпичников” занимают более крупые частицы – молекулы и атомы различных химических элементов. Как считают с конца  века они делимы. Атом – более устойчивая, стабильная частица, чем кварк.

Клетка является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации – важнейшей основы эволюционного развития живого мира.

Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии  в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Многочисленные исследования в области цитологии (науке о живой клетке), показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Они осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию.

Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одиночные организмы (амебы), а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Так, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, либо гибелью.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей - органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами организма.

Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимосвязь клетки с внешним миром, обмен с ней веществом, энергией и информацией. Обмен веществ, обеспечиваемый клеткам, - важнейшее свойство всего живого. Это свойство в биологической литературе называют метаболизмом клеток.

М етаболизм в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз - постоянство свойств клетки, поддерживается обменом веществ, или метаболизмом.

О

Рис.3.1. онтинентальные плиты Земли (по теории неомобилизма).

бмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду

выработанных полезных продуктов, энергии и “ вредных веществ”.

Следует отметить, что в последнее время к миру живого относят также и вирусы, которые не имеют клеточной структуры (бесклеточные организмы). Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры (отсутствует ядро). Это так называемые прокариоты, безъядерные клетки. Они исторически являются предшественникам вполне развитых, имеющих ядро клеток, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад – эукариотов. К прокариотам, т.е. древнейшим, безъядерным видам клеток относятся бактерии, сине–зеленые водоросли. Эти организмы имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые у них, как и у всех других клеток, выполняют управленческую функцию, только они расположены не в ядре, а во внутриклеточной жидкости, в цитоплазме. Все нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению. Именно гены обеспечивают как важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, так и всего организма в целом.