Единство многообразия. Биологические системы

Что такое биологические системы.

Воспользуемся воспроизведенным в эпиграфе предложением нобелевского лауреата Ф. Крика и попробуем с его помощью выделить основные признаки, которые присущи всему живому.

Прежде всего, любой живой организм устроен очень сложно. Его составляют определенным образом упорядоченные и взаимодействующие друг с другом и с окружающей средой компоненты, каждый из которых выполняет присущие ему функции. Это и отдельные органы в организме многоклеточных животных, и органоиды в клетке, и даже молекулы в составе клеточных структур.

Это позволяет сделать вывод, что живой организм представляет собой особым образом организованную систему – биологическую системой. Эта система, построенная на основе белков и нуклеиновых кислот, является открытой, поскольку живые организмы обмениваются веществом, энергией и информацией с внешней средой. Они извлекают из окружающей среды энергию (в виде питательных веществ, солнечной радиации) и необходимые им вещества, преобразуют их и используют для поддержания своего существования, включая рост, развитие и размножение. Затем возвращают назад в окружающую среду продукты распада и переработанную энергию в виде тепла, мышечного сокращения, нервных импульсов и т.д.

Биологические системы характеризуют основные признаки, которые присущи всему живому: обмен веществ (питание и дыхание), раздражимость, рост, развитие, размножение. Именно проявлением признаков живого обусловлено единство биологических систем, которое реализуется в природе через многообразие форм жизни.

Биологическая система, построенная на основе белков и нуклеиновых кислот, является открытой, поскольку живые организмы обмениваются веществом, энергией и информацией с внешней средой. Они извлекают из окружающей среды энергию (в виде питательных веществ, солнечной радиации) и необходимые им вещества, преобразуют их и используют для поддержания своего существования, включая рост, развитие и размножение. Затем возвращают назад в окружающую среду продукты распада и переработанную энергию в виде тепла, мышечного сокращения, нервных импульсов и т. д.

Живые организмы способны регулировать свои отношения с окружающей средой. Это выражается в явлении гомеостаза, т. е. в способности организмов противостоять колебаниям параметров внешней среды (температуры, влажности, и т. п.) и поддерживать в определенных пределах постоянство своего состава и свойств.

Живые организмы воспринимают информацию, поступающую из окружающей среды – тепло и холод, свет и тень, запах, шум, механическое воздействие и многое другое. Сигналы эти обрабатываются, сортируются, а затем следует соответствующая ответная реакция. Чем сложнее устроен организм, тем разнообразнее и информация, которую он способен улавливать из внешней среды, тем совершеннее способы ее анализа и характер реагирования.

Достаточно вспомнить в этой связи реакции на внешние раздражители растений и простейших (например, листья мимозы поникают в ответ на прикосновение, плывущая инфузория меняет направление своего движения при колебании воды) и сравнить их со сложным поведением птиц и животных, не говоря уж о человеке.

Важнейшим свойством биологических систем следует считать способность хранить и передавать информацию о своей структуре и функциях в ряду поколений. Обеспечивается это универсальным для всех живых систем механизмом, основой которого служат молекулы ДНК.. Благодаря способности молекулы ДНК к самоудвоению (репликации), эта информация передается от родителей к потомкам, т. е. обеспечивается наследственность.. У живых же существ, будь то амеба или человек, сходство родителей и потомков никогда не бывает полным. В этом проявляется изменчивость, механизмы формирования которой тоже общие для всего живого. Более того, эта изменчивость может наследоваться, другими словами, новые признаки, появившись у какого-то организма впервые, могут передаваться его потомкам. А где есть наследственная изменчивость – там есть поле деятельности для естественного отбора, а, следовательно, возможна и эволюция. В ходе эволюции возникают формы жизни, все более и более приспособленные к тем или иным условиям существования. Именно благодаря способности к эволюции и возникло то огромное многообразие видов живых организмов на нашей планете.

Жизнь можно определить как особую форму организации открытых систем, построенных на основе белков и нуклеиновых кислот, и обладающих способностью к самоорганизации, самовоспроизведению и эволюции.

Уровни организации жизни.

Биологическим системам присуща иерархичность (*) организации. Это означает, что в структуре живых систем можно выделить разные уровни, причем каждый последующий уровень включает в себя все предыдущие. Речь при этом идет не о простом сложении структурных элементов, они соподчинены и благодаря взаимодействию друг с другом образуют качественно новую структуру – новый уровень организации. Важно помнить, что на каждом уровне организации система приобретает качественно новые свойства, которые отсутствуют на нижележащих уровнях (эмерджентность).

В организации живых систем можно выделить четыре основных иерархических уровня: молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и экосистемный. Биологические системы высших уровней действуют на основе функционирования систем более низких уровней (рис. 49). Именно такую классификацию предложил известный отечественный ученый-генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.

Часто используют очень дробную классификацию и различают уровни: молекулярный, клеточных органоидов, клеточный, тканевой, организменный и т. д. вплоть до биосферного. Столь детальное подразделение в большей степени отражает уровни, на которых проводится изучение живых объектов (например, гистологи изучают тканевой уровень, цитологии – клеточный и
т. д.).

Молекулярно-генетический уровень – это уровень биополимеров, сложных макромолекул, которые присущи только живым организмам. В первую очередь речь идет о белках и нуклеиновых кислотах, с появления которых много миллионов лет тому назад и начался процесс эволюции жизни на Земле. На уровне молекул протекают такие важнейшие процессы жизнедеятельности организмов, как обмен веществ и передача наследственной информации, которая закодирована в структуре молекул ДНК или РНК.

Современные технологии позволяют ученым проводить свои исследования именно на молекулярном уровне. Сформировалась новая отрасль биологии – молекулярная биология и ее практическая составляющая – молекулярная биотехнология. С развитием последней связано получение новых лекарственных препаратов и вакцин, продуктов питания; разработка методов лечения онкологических и наследственных заболеваний и многое другое.

Следующий уровень организации живого – онтогенетический. Единицей жизни на этом уровне служит особь (индивид), которая может состоять из одной клетки или многих клеток. Каждой особи присущ онтогенез, под которым подразумевается вся совокупность ее преобразований с момента появления на свет при оплодотворении яйцеклетки (при половом размножении) или делении материнского организма (при бесполом размножении) и до конца ее жизни. Этот уровень организации первый в системе иерархии, для которого характерна самодостаточность. Действительно, только организм, но никак не молекулы, обладает способностью к относительно автономному существованию во внешней среде. Все живые организмы имеют клеточное строение.

К одноклеточным организмам относятся многие простейшие – амебы, инфузории, жгутиконосцы и др.

Среди многоклеточных организмов различают колониальные и тканевые. В составе ткани все клетки специализированы и обладают сходной структурой и функцией. К тканевым организмам относятся высшие растения и животные. Ткани разных типов у них формируют отдельные органы, связанные в системы органов, из которых уже слагается организм.

Неклеточной формой жизни принято считать вирусы. Их появление стало возможным после формирования клеток. Вирусы только потенциально способны воспроизводить себя. Для реализации этой потенции они должны использовать клетку другого организма. Сами по себе вирусы размножаться не могут.

Начиная с популяционно-видового уровня, мы рассматриваем уже не отдельные организмы, а группы организмов. Ключевую роль на популяционно-видовом уровне играет популяция – совокупность особей (организмов) одного вида, которые населяют определенную территорию и взаимодействуют друг с другом.

Внутри популяции действуют механизмы, которые контролируют ее численность, пространственное распределение, взаимоотношения с популяциями других видов. Среди входящих в популяцию особей осуществляется интенсивный обмен генами в процессе полового размножения. В силу этого возникающие генетические изменения могут быстро распространяться внутри популяции и ее генофонд (совокупность генов одной группы особей) становится отличным от генофонда другой популяции данного вида. Накопление генетических различий между популяциями служит одной из предпосылок процесса видообразования. Поэтому популяции живых организмов служат объектом пристального внимания, как экологов, так и специалистов в области эволюционной теории.

Следующий, более высокий иерархический уровень – это уровень экосистем, совокупности популяций разных видов во взаимосвязи со средой обитания, где проходит поток энергии и осуществляется круговорот веществ. Основой для любой экосистемы служат растения и/или бактерии, единственные из живых существ, которые способны создавать первичное органическое вещество в результате процессов фотосинтеза или хемосинтеза. Размер экосистем различен и четких границ между ними нет. Экосистемой может быть и небольшая лужа, и упавшее дерево в лесу вместе с населяющими его популяциями микроорганизмов, грибов, насекомых и др. Можно говорить об
экосистемах, соответствующих географическим зонам суши и Мирового океана – экосистемы тундры, лесов, степей, пустынь и т. п.

Наконец, самая крупная экосистема на нашей планете – это биосфера, которая включает в себя все живые существа планеты и среды их обитания: литосферу, гидросферу, атмосферу и педосферу (почвенный слой Земли).

В последующих параграфах мы рассмотрим общие и специфичные черты в проявлении свойств живого на разных уровнях организации. Пока же запомним, что в организации жизни можно выделить четыре фундаментальных иерархических уровня, на каждом из которых живые системы представлены элементарными единицами. На молекулярно-генетиче-ском – это биополимеры (нуклеиновые кислоты и белки), на онтогенетическом – особи (одноклеточные и многоклеточные), на популяционно-видовом – группы особей (популяции и виды), а на экосистемном – группы популяций разных видов организмов и среды их обитания.