Основные уровни живого, их характеристика

1. Основные уровни живого, их характеристика

Концепция структурных уровней  живого включает представление об иерархической  соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности  живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии.

Рассмотрим отдельные уровни организации  живой материи, начав с низшей ступени.

Молекулярно-генетический уровень  – уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. Элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов – молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК.

Так как с молекулярными структурами связаны процессы, хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

Белки и нуклеиновые кислоты  являются «информационными» молекулами, а полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

На этом уровне происходят химические реакции, обеспечивающие энергией клеточный  уровень.

Клеточный и субклеточный уровень. Основной структурой и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. Клетка – элементарная биологическая система, способная к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ.

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

Клеточные структуры лежат в  основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным  ни представлялось его строение.

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

Ткани — это группа физически  объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций [4, стр.232]. Из тканей состоят различные органы живых организмов.

Органы — это относительно крупные  функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц — систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.

Организменный уровень именуют  также онтогенетическим. Онтогенезом  называется процесс индивидуального  развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации [4, стр.232].

Популяционно-видовой уровень –  это уровень жизни, образованный совокупностью видов и популяций живых систем.

Популяция — совокупность особей одного вида, относительно изолированных  от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую  себя на протяжении длительного времени  и обладающую общим генетическим фондом. Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

Видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим  свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие собой генетически открытые системы.

Биогеоценотический уровень. Он образован  биоценозами. Биоценоз — это совокупность всех организмов населяющих участок среды с однородными условиями жизни, представляющих единый природный комплекс, экосистему.

Биосферный уровень включает в  себя всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной  средой.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.

2. Клетка как «первокирпичик» живого

Фундаментальная частица в биологии – живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том  числе и носителем генетической информации.

Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной. Мембрана окружает гетерогенный материал, называемый цитоплазмой. В цитоплазму погружено круглое или овальное ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность.

Существуют одноклеточные организмы, тело которых целиком состоит  из одной клетки. К этой группе относятся  бактерии и протисты (простейшие животные и одноклеточные водоросли). Настоящие  многоклеточные животные и растения содержат множество клеток.

В строении и функциях каждой клетки обнаруживаются признаки, общие для всех клеток, что отражает единство их происхождения из первичных органических комплексов. Частные особенности различных клеток — результат их специализации в процессе эволюции.

Обычно размеры растительных и животных клеток колеблются в пределах от 5 до 20 мкм в поперечнике. Типичная бактериальная клетка значительно меньше – около 2 мкм, а наименьшая из известных – 0,2 мкм.

Обычно 70–80 % массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки – белки и нуклеиновые кислоты. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие – ферментами, т.е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей – органы (сердце, лёгкие и пр.) Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами организма [1, стр.185].

Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, - важнейшее свойство всего живого. Обмен веществ – это 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 отходов производства». Его называют метаболизмом клеток. Он в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки – это гомеостаз.

Управление 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. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, как и всего организма в целом.

В последнее время к миру живого относят также и вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры (отсутствует ядро) – это прокариоты. Они исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток – эукариотов. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли. Они имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые выполняют управленческую функцию.

3. Основные положения «клеточной теории» строения живого

«Клеточная теория» — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений и мира животных, в котором клетка рассматривается в качестве общего структурного элемента растительных и животных организмов. Как и всякое крупное научное обобщение, «клеточная теория» не возникла внезапно: ей предшествовали отдельные открытия различных исследователей.

Открытие клетки принадлежит английскому естествоиспытателю Р. Гуку, который в 1665г. впервые рассмотрел тонкий срез пробки под микроскопом. На срезе было видно, что пробка имеет ячеистое строение, подобно пчелиным сотам. Эти ячейки Р. Гук назвал клетками.

Значительный вклад в изучение клетки внес голландский натуралист, один из основоположников научной микроскопии, А. Ван Левенгук, открывший в 1674г. одноклеточные организмы.

Дальнейшее усовершенствование микроскопа и интенсивные микроскопические исследования привели к установлению французским ученым Ш. Бриссо-Мирбе (1802 г., 1808г.) того факта, что все растительные организмы образованы тканями, которые состоят из клеток. Еще дальше в обобщениях пошел Ж. Б. Ламарк (1809г.), который распространил идею Бриссо-Мирбе о клеточном строении и на животные организмы.

В начале XIX в. предпринимались попытки  изучения внутреннего содержимого  клетки. В 1825г. чешский ученый Я. Пуркине  открыл ядро в яйцеклетке птиц. В 1831г. английский ботаник Р. Броун впервые  описал ядро в клетках растений, а в 1833г. он пришел к выводу, что ядро является обязательной частью растительной клетки. В это время меняется представление о строении клетки: главным в ее организации стали считать не клеточную стенку, а содержимое.

Наиболее близко к формулировке «клеточной теории» подошел немецкий ботаник М. Шлейден, который установил, что тело растений состоит из клеток.

Многочисленные наблюдения относительно строения клетки, обобщение накопленных  данных позволили Т. Шванну в 1839г. сделать  ряд выводов, которые впоследствии назвали «клеточной теорией». Ученый показал, что все живые организмы состоят из клеток, что клетки растений и животных принципиально схожи между собой.

В момент возникновения «клеточной теории» вопрос о том, как образуются клетки в организме, не был окончательно выяснен. М. Шлейден и Т. Шванн считали, что клетки в организме возникают путем новообразования из первичного неклеточного вещества. Это представление было опровергнуто к середине XIXв., что нашло отражение в знаменитом афоризме Р. Вирхова (1858г.): «всякая клетка происходит только от клетки». Дальнейшее развитие цитологии полностью подтвердило, что и клетки животных, и клетки растений возникают только в результате деления предшествующих клеток и никогда не возникают de novo – из «неживого» или «живого» вещества.

«Клеточная теория» получила дальнейшее развитие в работах немецкого  ученого Р. Вирхова (1858г.), который  предположил, что клетки образуются из предшествующих материнских клеток. В 1874г. русским ботаником И. Д. Чистяковым, а в 1875г. польским ботаником Э. Страсбургером было открыто деление клетки — митоз, и, таким образом, подтвердилось предположение Р. Вирхова.

Во второй половине XIX и в начале XXвв. были выяснены основные детали тонкого  строения клетки, что стало возможным благодаря крупным усовершенствованиям микроскопа и техники микроскопирования биологических объектов.

Коренное улучшение всей техники  микроскопирования позволило исследователям к началу XX столетия обнаружить основные клеточные органоиды, выяснить строение ядра и закономерности клеточного деления, расшифровать механизмы оплодотворения и созревания половых клеток. В 1876г. был открыт клеточный центр, в 1894г. – митохондрии, в 1898г. – аппарат Гольджи.

Создание «клеточной теории» стало  важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства живой природы. «Клеточная теория» оказала значительное влияние на развитие биологии как науки, послужила фундаментом для развития таких дисциплин, как эмбриология, гистология и физиология. Она позволила создать основы для понимания жизни, индивидуального развития организмов, для объяснения эволюционной связи между ними. Основные положения «клеточной теории» сохранили свое значение и сегодня, хотя более чем за сто пятьдесят лет были получены новые сведения о структуре, жизнедеятельности и развитии клетки.

«Клеточная теория» включает следующие  основные положения:

1. Клетка — элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции и самовоспроизведению и являющаяся единицей строения, функционирования и развития всех живых организмов.
2. Клетки всех живых организмов сходны по строению, химическому составу, строению и функциям.
3. Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.
4. В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными формами регуляции.

Остановимся кратко на положениях «клеточной теории».

Клетка является основной структурной  и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.

Для всех клеток характерна способность  к росту, размножению, дыханию, выделению, использованию и превращению  энергии, они реагируют на раздражение. Таким образом, клетки обладают всей совокупностью свойств, необходимых для поддержания жизни. Отдельные их части не могут выполнять весь комплекс жизненных функций, только совокупность структур, образующих клетку, проявляет все признаки живого. Поэтому только клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов. У многоклеточных организмов (растений, животных, грибов) отдельные клетки тесно и слаженно взаимодействуют друг с другом.