Уровни организации живой материи.

Организм - пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.

Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы. Н. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценотический. Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном - клетка, на организменном - особь, на по-пуляционном - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно, в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физике представляют собой неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике соответствуют бифуркации. Механизм перехода в понятиях синергетики реализуется через хаотические состояния, и через него реализуется связь разных уровней организации. В точках бифуркации малое случайное изменение может привести к сильному возмущению системы, и возникает фазовый переход. В таком представлении гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь - не жизнь».

А теперь рассмотрим уровни организации живой материи.

Молекулярно-генетический уровень. Знание закономерностей молекулярно-генетического уровня организации живого - необходимая предпосылка для ясного понимания жизненных явлений, происходящих на всех остальных уровнях организации жизни. На этом уровне организации жизни гены представляют собой элементарные единицы. В XX в. развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов, развитие молекулярной биологии, биохимии позволило раскрыть основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Выяснено, что основные структуры на этом уровне, несущие в себе коды наследственной информации, представлены молекулами ДНК, дифференцированными по длине на элементы кода - триплеты азотистых оснований, образующих гены. Основные свойства генов: способность их к конвариантной редупликации, к локальным структурным изменениям (мутациям), способность передавать хранящуюся в них информацию внутриклеточным управляющим системам.

Молекула ДНК представляет собой две спаренные нити, закрученные в спирали. Каждая из этих нитей соединяется с другой водородными связями; причем каждая из таких связей попарно соединяет либо аденин одной цепи с тимином другой, либо гуанин с цитозином. Конвариантная редупликация происходит по матричному принципу. Сначала разрываются водородные связи двойной спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы. Затем каждая из нитей на своей поверхности строит соответствующую нить, после чего новые нити комплементарно соединяются между собой. Пиримидиновые и пуриновые основания комплементарных нитей «сшиваются» между собой ДНК-полимеразой. Этот процесс осуществляется очень быстро. Так, на самосборку ДНК, состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов, требуется всего 100 секунд.

В синтезе белков важная роль принадлежит также и РНК. Синтез белка происходит в особых областях клетки - рибосомах. Рибосомы иногда образно называют «фабриками белка». Существует по крайне мере три типа РНК: высокомолекулярная РНК, локализующаяся в рибосомах; информационная-РНК, образующаяся в ядре клетки; транспортная-РНК.

В ядре генетический код переносится с молекул ДНК на молекулу информационной-РНК. Генетическая информация о последовательности и характере синтеза белка переносится из ядра молекулами информационной-РНК в цитоплазму к рибосомам и там участвует в синтезе белка. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляется транспортной-РНК. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5 - 6 минут.

Таким образом, как при конвариантной редупликации, так и при внутриклеточной передаче информации используют единый матричный принцип: исходные молекулы ДНК и РНК являются матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие макромолекулы. Молекулы ДНК играют роль кода, в котором как бы «зашифрованы» все синтезы белковых молекул в клетках организма. Характерно, что все биологические организмы, известные нам на Земле, используют одинаковый тип генетического кода. Редупликация, основанная на матричном копировании, делает возможным сохранение не только генетической нормы, но и отклонений от нее, т.е. мутаций (основа процесса эволюции).

Центральная проблема современной молекулярной биологии - изучение строения и функций органических макромолекул, прежде всего иерархии структурной организации белков: первичная структура (последовательность мономеров в биополимерах), вторичная структура (биополимерная спираль), третичная структура (определенная организация молекул белка), четвертичная структура (макромолекулярные комплексы молекул белков). В настоящее время молекулярной биологией успешно дешифруется заложенный в структуре нуклеиновых кислот код, служащий матрицей при синтезе специфических белковых структур.

Онтогенетический уровень. Следующий, более сложный, комплексный уровень организации жизни на Земле - онтогенетический он связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидуумов. Термин онтогенез был введен Э. Геккелем еще в 1866г. Ученый подразумевал под ним рассмотрение особенностей структурной и функциональной организации отдельных организмов, - как многоклеточных, так и одноклеточных.

В настоящее время под этим термином понимают саморегулирующуюся иерархическую систему, определяющую согласованную реализацию наследственных признаков и функций, осуществляющихся в пределах автономной живой особи. Другими словами, онтогенетический уровень - это уровень изучения организма как единого целого, системы, в которой все связано, все отрегулировано и все прекрасно работает.

"Минимальной живой системой" является простейшая живая клетка. Она наделена всеми функциями, присущими многоклеточному организму: обменивается с окружающей средой, растет и увеличивает свой объем, делится и размножается, обладает системами метаболизма или биохимической регуляции.

Индивид, особь - неделимая и целостная единица жизни на Земле. В многообразной земной органической жизни особи имеют различное морфологическое содержание. Здесь и одноклеточные, состоящие из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т. д. Здесь и многоклеточная особь, образованная из миллионов и миллиардов клеток. Сложность многоклеточных особей неизмеримо выше сложности одноклеточных. Но и одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и выступают как единое целое.

Причем важно то, что характеристика особи не может быть исчерпана рассмотрением физико-химических свойств макромолекул, входящих в его состав. Разделить особь на части без потери «индивидуальности» невозможно. Это позволяет выделить онтогенетический уровень как особый уровень организации жизни. Таким образом, на онтогенетическом уровне единицей жизни служит особь - с момента ее рождения до смерти.

Развитие особи, последовательность морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом, от образования зародышевой клетки до смерти составляет содержание процесса онтогенеза. Онтогенез состоит из роста, перемещения отдельных структур, дифференциации и усложнения интеграции организма. По сути, онтогенез - это процесс реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки, а также испытания, проверки согласованности и работы управляющих систем во времени и пространстве, приспособления особи к среде и др.

Функционирование на онтогенетическом уровне обусловлено наличием в живых организмах хорошо отлаженной функциональной системности. На уровне клетки это - ядро, рибосомы, митохондрии и т.д. На уровне многоклеточных организмов - совокупность сосудистой, дыхательной, генеративной, нервной и пищеварительной систем. Согласно концепции, разработанной русским физиологом П.К.Анохиным (1935 г.), функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только "взаимодействуют", но и "взаимосодействуют " друг с другом. Т.е. функционирование отдельно взятых органоидов или их систем невозможно без содействия других неразрывно с ними связанных. Этим взаимодействием обеспечивается и целостность каждой системы, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях.

Вся история физиологии человека и животных - это история подтверждения наличия такой функциональной системности на онтогенетическом уровне.

Причины развития организма в онтогенезе являются предметом обстоятельного и интенсивного изучения эмбриологами, биохимиками, генетиками. Многие отрасли биологии изучают процессы и явления, происходящие в особи, согласованное функционирование ее органов и систем, механизм их работы, роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношение органов, поведение организмов, приспособительные изменения и т.п. Пока не создана общая теория онтогенеза, не ясны все причины и факторы, определяющие строгую организованность этого процесса. Имеющиеся результаты позволяют понять только некоторые отдельные процессы, обеспечивающие индивидуальное развитие организма. Прежде всего, это касается изучения дифференциации, т.е. образования разнообразных, специализированных для выполнения определенных функций частей организма. Элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат клетки, а элементарными явлениями - какие-то процессы, связанные с их дифференциацией. Онтогенез определяется деятельностью некоторой саморегулирующейся иерархической системы, согласованно реализующей наследственные свойства и работу управляющих систем в пределах особи.

Популяционно-видовой уровень. Термин популяция впервые был введен в 1903г. датским генетиком В. Иогансоном. Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации. Популяционно-видовой уровень возникает там и тогда, где и когда происходит объединение особей в популяции, а популяций в виды. Популяции - это совокупность особей одного вида, обладающих единым генофондом и населяющих определенную территорию, более или менее изолированную от соседних совокупностей того же вида. Такие объединения характеризуются появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Популяции целостны, хотя состоят из множества особей. Их целостность базируется на иных основаниях, чем целостность молекулярно-генетического и онтогенетического уровней. Она обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетическим материалом в процессе полового размножения. Виды - это системы популяций. Популяции и виды как надиндивидуальные образования способны к существованию в течение длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию.

Популяции выступают как элементарные, далее неразложимые эволюционные единицы, представляющие собой генетически открытые системы, так как особи из разных популяций иногда скрещиваются и популяции обмениваются генетической информацией. На популяционно-видовом уровне особую роль играет свободное скрещивание между особями внутри популяции и вида. Виды являются наименьшими генетически закрытыми системами, поскольку скрещивание особей разных видов в природе в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства.

В соответствии с общепризнанными сегодня представлениями элементарными единицами эволюции жизни на Земле являются не молекулярно-генетические системы или отдельные особи, а целые популяции ( от. лат. - народ, население). Популяция - основная элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление на этом уровне - изменение генотипического состава популяции; элементарный материал на этом уровне - мутации. В синтетической теории эволюции выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать определенное воздействие на популяцию и вызвать изменения в генотипическом составе популяции.

Биоценотический уровень.В 1877г. немецкий ученый гидробиолог К. Мебиус предложил понятие биоценоз для обозначения такой совокупности организмов, существование которых зависимо от абиотических (небиологических) факторов среды. Другое название биоценоза - сообщество. Биоценозы являются следующим уровнем организации и объединяют в себе несколько популяций. В свою очередь, биоценозы являются компонентами следующего надорганизменного уровня - биогеоценозов, которые характеризуются как определенными биологическими, так и абиотическими факторами среды.

В настоящее время в рамках популяционной биологии сформировались два тесно связанных между собой направления - биологическое и эволюционное. Главное содержание биологического направления составляет изучение популяций и биоценозов, которые, будучи тесно связанными, между собой и с окружающей природой, олицетворяют живые механизмы кругооборота веществ в природе. Биологическая популяционная биология исследует границы популяций или пространственную структуру популяций, а также изучает поведение животных в популяциях, их взаимодействие друг с другом (этологическую структуру популяций).

Связи внутри популяций и между популяциями служат основным механизмом сохранения их целостности. Было выяснено, что популяция является метаболически незамкнутой системой, в то время как биоценоз - метаболически замкнут на себя, т.е. внутри биоценозов круговорот веществ может совершаться без участия соседних биоценозов. В то же время устойчивость биоценозов зависит как от взаимодействия с соседними биоценозами, так и от их внутренней структуры.

На популяционно-биоценотическом уровне решающую роль играет взаимодействие составляющих его сочленов. Это взаимодействие носит трофический характер, т. е. происходит обмен веществами и энергией между популяциями или биоценозами.

Эволюционное направление в популяционной биологии связано с развитием учения о микроэволюции, т.е. об эволюционных процессах, происходящих за относительно короткие промежутки времени на ограниченных территориях, включающих в себя явления, протекающие в популяциях и завершающиеся видообразованием.

Биогеоценотический уровень. Популяции разных видов взаимодействуют между собой. В ходе взаимодействия они объединяются в сложные системы - биоценозы. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок, среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой. Компоненты, образующие биоценоз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) - биогеоценозы.

Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) - взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией. Биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, продукт совместного исторического развития многих видов растений и животных, в ходе, которого виды приспосабливались друг к другу. Структура биогеоценоза меняется в ходе эволюции видов. Биогеоценоз - это целостная система. Виды в биогеоценозе действуют друг на друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). Выпадение одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к разрушению целостности биогеоценоза, что часто ведет к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы. В целом жизнь биогеоценоза регулируется силами, действующими внутри самой системы, т.е. можно говорить о саморегуляции биогеоценоза. В то же время биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую каналы вещества и энергии, связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ и энергией между соседними биогеоценозами может осуществляться в разных формах: газообразной, жидкой и твердой, а также в форме миграции животных.

Биогеоценоз - уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система, которая является результатом длительной и глубокой адаптации составных компонентов. Устойчивость его пропорциональна многообразию его компонентов: чем многообразнее биогеоценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами, гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктического поясов, так как тропические биогеоценозы состоят из гораздо большего множества видов растений и животных, чем умеренные и тем более арктические биогеоценозы.

Высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах; каждая экосистема неизменно содержит как простые, так и сложные компоненты. Биогеоценоз только из бактерий или деревьев никогда не сможет существовать, как нельзя представить экосистему, населенную лишь позвоночными или млекопитающими. Таким образом, низшие организмы в экосистеме - это не какой-то случайный пережиток прошлых эпох, а необходимая составная часть биогеоценоза, целостной системы органического мира, основа его существования и развития, без которой не возможен обмен веществом и энергией между компонентами биогеоценоза.

Абиотическими компонентами биогеоценозов являются атмосфера, солнечная энергия, почва, вода. Первичной биотической основой для сложения биогеоценозов служат автотрофы - зеленые растения и микроорганизмы, хемосинтетики, производящие органическое вещество. Автотофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов - животных, грибов, большинства бактерий, вирусов. Поэтому и границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ (фитоценозов). Но и животные впоследствии начинают играть важную роль в жизни растений: они осуществляют опыление, распространение плодов, участвуют в круговороте веществ и т.д. Так складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

Биосферный уровень.Сегодня общепризнанной (особенно в отечественной науке) является та система взглядов на биосферу, которую создал В. И. Вернадский (1863-1945).

Сам Вернадский ссылается на Ж.- Б. Ламарка, заметив, что "он дал нам представление о роли биосферы в истории нашей планеты". Однако Ламарк не пользовался термином биосфера и в своем труде "Гидробиология" (1802 г.) говорил лишь о том, что "все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов".

Эту идею разделяли многие ученые XVIII-XIX вв. Например, немецкий естествоиспытатель А. Гумбольд в своих "Картинах природы" (1826 г.) ввел понятие "жизненная сила", под которой он понимал специфическую оболочку Земли, где в единую целостную систему объединены процессы, протекающие в атмосфере, на морях и на суше, а также весь органический мир. Позднее, в 1869 году немецкий агроном Ф. Ратцель назвал поверхность Земли пространством жизни, а французский географ Э.Реклю в своем труде "Земля" дал красочное описание роли мира живых организмов в преобразовании лика Земли.

Таким образом, начиная с Ламарка, в науке появилось представление о существовании на нашей планете некоего пространства, где есть жизнь. Из всех терминов, предложенных для обозначения этого пространства, укоренился один - биосфера, автором которого был австрийский ученый Э. Зюсс (1875 г.). В течение всей жизни, он уточнял и дополнял определение термина биосфера и в 1919 г. описал биосферу как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Однако Зюсс ничего не говорил о геологической роли биосферы и ее зависимости от планетарных факторов Земли. Впервые идею о геологических функциях "живого вещества", представленного совокупностью всего органического мира в виде " единого нераздельного целого" высказал В. И. Вернадский в 1919 г.

Вся совокупность связанных между собой круговоротом веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образуют мощную систему биосферы Земли. Верхняя граница жизни в атмосфере достигает примерно 25-30 км, нижняя граница в земной коре сосредоточена в самом верхнем ее слое - до 10 м. (Хотя отдельные виды микроорганизмов встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км.) В гидросфере (океаны и моря) зона, богатая живыми организмами, занимает слой воды до 200 м, но некоторые организмы обнаружены и на максимальной глубине глубоководных океанских впадин - до 11 км. Таким образом, «пленка жизни» на Земле достаточно тонкая и достигает всего лишь около 40 км. Она ограничена интенсивным потоком губительных ультрафиолетовых лучей за пределами озонового слоя в тропосфере и высокой температурой земных недр (на глубине 3 км она может достигать 100° С).

Благодаря деятельности растений биосфера стала аккумулятором Солнечной энергии. Живые организмы представляют собой самую Важную биохимическую силу, которая преобразует земную кору. Масштабы деятельности живых организмов поистине грандиозны. О них свидетельствуют тысячеметровые толщи известняка, огромные залежи каменного угля, мощные биогенные породы и т.п. Именно живое вещество определило состав атмосферы, осадочных пород, почвы, гидросферы. Благодаря этому неузнаваемо изменился внешний облик планеты.

Между неорганической и органической материей на Земле существует постоянный кругооборот вещества и энергии, в котором проявляется закон сохранения массы и энергии: каждое живое существо благодаря следующим цепям питания (особенно бактериям) после окончания жизненного цикла возвращает природе все, что взяло от нее в течение жизни. Именно кругооборот вещества и энергии обеспечивает продолжительность существования жизни, потому что иначе на Земле запасы необходимых элементов были бы очень быстро исчерпаны. Рассматривая биосферу Земли как единую экологическую систему, можно убедиться, что живое вещество Земли существенно не уменьшается и не увеличивается в массе, а только переходит из одного состояния в другое.

Таким образом, молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический уровни и биосферный это основные уровни организации жизни на Земле.