4.1.Элементы современной биологии

4.1.1 Структурные уровни организации живой материи

Изучением многообразия живой природы, взаимоотношениями различных видов между собой и с внешней средой, эволюцией живого занимается биология.

Существует несколько подходов к определению сущности живого. Так, сторонники витализма признают наличие в живых организмах управляющей ими нематериальной сверхъестественной сущности. По их мнению, жизнь – уникальное явление, которое невозможно объяснить на основе физико-химических процессов.

Наиболее распространенным подходом к определению сущности живого в настоящее время является выделение свойств, отличающих живые организмы от неживой природы. К этим свойствам относятся питание, дыхание, размножение и рост, раздражимость (реакция на изменение внешних условий и внутренней среды), способность к движению, гомеостаз. Важно подчеркнуть, что только совокупность этих свойств дает представление о живой материи.

Многообразие живого можно классифицировать по критерию масштабности, выделяя следующие уровни организации живой материи.

1 Молекулярный  самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных молекул  белков, нуклеиновых кислот, углеводов и т.д. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи.

2 Клеточный  уровень, на котором биологически активные молекулы объединяются в единую систему. В отношении клеточной организации все живые организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3 Тканевый  уровень, на котором сочетание однородных клеток образуют ткань. Этот уровень охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4 Органный  уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5 Организменный  уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма.

6 Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного вида, связанными единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7 Биоценоз – уровень, объединяющий разные виды организмов, приспособленных к совместному существованию на данной территории.

8. Экосистема и биогеоценоз  уровни, объединяющие разные виды организмов и неорганических компонентов, в которых может осуществляться круговорот веществ. Биогеоценоз представляет собой участок земной поверхности с однородными абиотическими факторами с определенным составом взаимодействующих живых организмов. Экосистемы могут быть естественными и искусственными. Все экосистемы включают одни и те же категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом.

9. Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне происходят все глобальные круговороты вещества, связанные с жизнедеятельностью организмов. Эта область жизни охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли создал В.И. Вернадский. Совокупная деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. По представлениям Вернадского биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек-природа.

4.1.2 Клетка как основа единства живых организмов

По современным оценкам на Земле существует до 2 миллионов видов животных, около 500 тысяч растений, несколько сот тысяч грибов, около трех тысяч бактерий. Количество неописанных видов оценивается по меньшей мере в один миллион. Все это многообразие состоит из клеток. Открытие клеточного строения живого связано с именами ботаника М. Шлейдена и исследователя животной ткани Т. Шванна.

Клетка является структурной и функциональной единицей живых организмов. Клетки отличаются размером, формой и функциями. Соматические животные клетки имеют размеры 10-20 мкм, растительные – 30-50 мкм.

Клетки существуют как самостоятельные организмы (бактерии, простейшие) или входят в состав многоклеточных организмов.

Принято выделять половые и соматические клетки. Половые клетки служат для размножения, соматические клетки являются структурными единицами нервной, мышечной, костной и др. ткани. Ткани образуются соматическими клетками одного типа.

Химический состав клетки весьма сложен. В ней содержатся белки, нуклеиновые кислоты, ионы минеральных солей, жироподобные вещества и т.д. До 70% химических веществ клетки составляет вода. Вода является основой внутренней среды клетки, являясь растворителем, реагентом и продуктом биохимических реакций. Уникальные свойства воды связаны с малым размером ее молекул, их полярностью, большим поверхностным натяжением, высокой теплопроводностью, достаточно высокими температурами кипения и замерзания, большой теплоемкостью.

Каждая клетка в организме выполняет определенную функцию, однако разнообразие выполняемых функций не связано с разнообразием строения клеток. Общий план строения клеток очень похож, специализация достигается за счет усиления определенных свойств, присущих в той или иной мере всем клеткам.

Клетки состоят из оболочки, ядра и цитоплазмы. Студентам предлагается вспомнить курс общей биологии, в котором описываются компоненты клетки (мембрана, ядро, митохондрии, рибосомы, органоиды движения и др.) и их основные функции. Мы остановимся только на некоторых аспектах клеточного строения, важных для понимания дальнейшего материала.

Клеточные мембраны представляют собой тонкую пленку двумерно ориентированного раствора белковых молекул и белковых кластеров в вязкой среде. Вязкость мембранной фазы на три порядка больше, чем у воды. Мембрана выполняет барьерные функции, через мембрану осуществляется обмен с внешней средой – питание и выделение отходов. Клеточная мембрана обеспечивает стабильность химического состава клетки.

В центральной части клетки расположено ядро, которое окружено ядерной мембраной и содержит ДНК. В растительных и животных клетках ДНК присутствует в виде нескольких сложных структур – хромосом, число которых для каждого вида остается постоянным. Все сказанное не относится к протокариотам (бактериям и сине-зеленым водорослям). Их клетки не имеют оформленного ядра, а ДНК находится прямо в цитоплазме и не окружена мембраной. Ядро клеток эукариотов способно хранить и воспроизводить генетическую информацию. Кроме того, ядро регулирует процессы метаболизма в самой клетке.

Биологические системы содержат миллиарды клеток, работающих в согласованном режиме благодаря специальной сигнальной системе. У большинства высших организмов существует два способа коммуникации: при помощи гормонов и через нервные клетки – нейроны. Нейронная и гормональная системы связи между клетками действуют через специализированные молекулы. Большая часть адресованных клетке молекул внутрь клетки не попадает. Молекулы рецепторов на наружной поверхности клетки играют роль антенн, которые распознают приходящие сигналы и приводят в действие внутриклеточные каналы передачи информации. Таким образом, плазматическая мембрана клетки является еще и барьером для потока информации.