2. Онтогенетический уровень

Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни этого уровня выступает отдельная особь, а элементарным явлением – онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.

Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т. е. наделена всеми признаками живого организма. Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным не представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует приспособление к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки.

Открытие существования клеток и их исследования произошло в конце XVII века, когда был изобретен первый микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком еще в 1665 году, когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержание. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать Антонии ван Левенгука (1632–1723), доказавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток.

Т. Шванном и М. Шлейденом в 1838 году была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX века. Именно эта теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов. Мощный толчок цитология получила с момента создания генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты клетки – мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям – существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Все клетки состоят из трех основных частей: плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды – специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. Существует два способа деления клеток. Митоз – это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом, идентичным набору родительской клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. После расхождения дочерние нити ДНК превращаются в хромосомы, образуя характерные для данного организма структуры. Этот способ размножения характерен для всех клеток, кроме половых.

Мейоз – это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Этот механизм клеточного деления в природе встречается только при подготовке к половому размножению, при образовании половых клеток (гамет). При слиянии гамет в процессе оплодотворения получается опять диплоидный набор хромосом. Этот способ размножения характерен только для половых клеток.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки – яйца, но в процессе его деления клетки видоизменяются, что приводит к появлению множества разных клеток – мышечных, нервных, кровяных и т. д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточного организма есть полная генетическая информация для построения всех белков, нужных для этого организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

• прокариоты – клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К ним относятся бактерии.

• эукариоты – клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии – органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два вида:

• автотрофные организмы – они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т. е. сами производят необходимые им питательные вещества;

• гетеротрофные организмы – это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Многоклеточные организмы. Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа отдельных частей многоклеточных организмов изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза – развитие организма от рождения до смерти, при котором происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма. Этот процесс описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Эрнстом Геккелем (1834–1919), автором термина «онтогенез».

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей.

Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ, сходных по строению и функции. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных специализированных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.

Органы – это относительно крупные функциональные части организма, выполняющие определенную функцию, состоящие из клеток различных типов и управляемые общим механизмом организма. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечнососудистую, дыхательную и др. системы. Каждая из этих систем включает действующие органы и иерархию управляющих механизмов.

Собственно живой организм можно представить как комплекс физиологических систем, обеспечивающих его гомеостаз и адаптации. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, еще не получили своего полного объяснения.