Тема 3 Разнообразие и уровни организации живых систем Понятие об уровнях организации живой материи
Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-10
Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Тема 3. Разнообразие и уровни организации живых систем
Понятие об уровнях организации живой материи.
История формирования концепции структурных уровней в биологии.
1.Молекулярно-генетический уровень.
Молекулярно-генетический подход к изучению эволюции. Молекулярные основы генетической репродукции, биосинтеза белка и обмена веществ.
2. Онтогенетический уровень.
3. Популяционно-видовой уровень.
4. Биогеоценотический (биосферный) уровень.
Принципы системной организации живой материи.
Понятие об уровнях организации живой материи
- Объекты живой и неживой природы представляют собой системы иерархически соподчиненных элементов.
- Вследствие иерархической соподчиненности каждый из нижележащих уровней должен рассматриваться с учетом характера вышележащих уровней.
- Биология исследует высшую форму движения материи – биологическую форму.
Многоуровневость организации живой природы отражается в структуре биологического познания.
- Проблема различной упорядоченности и организованности живой материи, возникла у натуралистов в XVIII-XIX вв.
- Началом ее появления послужило провозглашение в 1830 г. клеточной теории.
- В 1846 г. М.Шлейден – один из основателей этой теории – сформулировал положение о существовании живых тел «различного порядка организованности».
- Э. Геккель выдвинул гипотезу неоднородности протоплазмы клетки, структурированности её из надмолекулярных субмикроскопических частиц - «пластидул».
- Представления о системной организации жизни были заложены еще Ч.Дарвином, который определял вид как систему, а естественный отбор – как фактор, упорядочивающий организацию жизни.
- Существенную роль в истории концепции структурных уровней в биологии сыграло развитие представлений о системности и связанной с нею органической целостности живого.
- История теории систем относится к раннему «редукционизму» первой половины XIX в. (механистический материализм).
- Согласно этому философскому течению, все высшее сводимо к низшему: процессы жизнедеятельности – к физико-химическим реакциям, понятие «организация целостного организма» – к взаимодействию составляющих ее молекул, клеток, тканей, органов.
- Убеждение в том, что познать живое можно, только разделив его на части, было характерным для экспериментаторов XIX в.
- Некоторые ученые не считали этот подход универсальным при изучении живой природы.
- Л. Пастер защищал идею несводимости процессов жизнедеятельности к сумме составляющих его реакций. Сторонниками этой идеи были биологи-традиционалисты, для которых всегда оставалось характерным видение живой природы в ее целостности.
- В 1920 г. американские философы Г.Браун и Р.Селларс предложили концепцию «структурных уровней». Согласно этой концепции, уровни различаются
- по «классам сложности» и
- по «закономерностям функционирования».
- Принципиальное положение концепции –
- идея иерархической соподчиненности уровней (каждый последующий входит в предыдущий с образованием целого).
- Возникла концепция многоуровневой иерархической «системы»: понятие уровней организации слилось с понятием органической целостности и с понятием «система».
- В биологии появилось также представление об «уровне изучения» живых систем по выражению К.М.Завадского.
- Это означает, что каждый структурный уровень живой природы служит объектом процесса познания «определенного уровня».
- Концепция иерархических уровней организации дает представление о структурированности материи и соподчиненности различных уровней исследуемых им наук. Эта концепция не исключает свободу в выделении уровней как на организменном, так и надорганизменном уровнях биосистем.
УРОВНИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ
- Объектами изучения в биологии являются молекулы, клеточные органеллы, клетки, ткани, органы, организмы и надорганизменные системы, а также функциональные взаимосвязи между ними. Этим объектам соответствуют и комплексы биологических наук. Различают уровни изучения:
- 1. Молекулярный;
- 2. Клеточный;
- 3. Тканевый;
- 4. Органный;
- 5. Организменный;
- 6. Популяционный;
- 7. Видовой;
- 8. Биогеоценотический (экосистемный);
- 9. Биосферный.
- 1. Молекулярный уровень изучает молекулярная биология, а также химия природных соединений, где исследуют основные биополимеры – ДНК, РНК, белки, полисахариды и др. Процессы молекулярного уровня организации обеспечивают существование жизни на всех уровнях. Однако жизнь нельзя свести к лишь молекулярному уровню.
- Иногда выделяют надмолекулярный (субклеточный) уровень организации живого – клеточные структуры, образованные в результате взаимодействия макромолекул, например хромосомы, рибосомы, мембраны.
- 2. Клеточный уровень считают фундаментальным, на нем в полной мере проявляются свойства живого, поэтому клетку считают элементарной структурной и функциональной единицей живой материи.
- На клеточном уровне жизнь представлена самостоятельными одноклеточными организмами. В многоклеточном организме представлено значительное морфо-физиологическое разнообразие клеток. Спорофит высшего растения состоит из более 100 типов клеток. Высшее животное имеет более 100-250 типов клеток.
- Клетки изучает цитология, клеточная биология, биология развития.
- 3. Тканевый уровень организации живого характерен для многоклеточных организмов. Клетки в составе одного многоклеточного организма отличаются высоким морфофункциональным разнообразием.
- Возникшие в ходе эволюции ткани состоят из клеток общего происхождения, строения и выполняющие определённые функции (ткани изучает гистология).
- 4. Органный уровень. Ткани формируют органы – части тела, имеющие определенное строение, занимающие определенное место в организме и выполняющие характерные функции.
Органы различаются по своей структуре. Органы, объединенные функционально, образуют системы органов. Структуру и функции органов и их систем (например, пищеварительной, дыхательной и др.) изучают структурная биология – анатомия, морфология, а также физиология.
- Организменный уровень. Организм – это высокоинтегрированная живая система. Характерной чертой эволюции тканевых клеток в организмах, по мнению российского гистолога А.А.Заварзина, является их возрастающая подчиненность надклеточным регуляционным системам: нервной и эндокринной.
- Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы.
- Разные проявления жизнедеятельности организма служит предметом исследования многих биологических дисциплин (цитология, гистология, физиология, биология развития).
- 6. Популяционный уровень. Основной единицей этого надорганизменного уровня является популяция – группа особей одного вида, обитающих в определенной местности в условиях свободного обмена генетическим материалом.
- Особи в популяции объединяют условия питания, но это уже менее важно для выделения популяции.
- Из популяций состоят биологические виды.
- Данный уровень исследует популяционная биология.
- 7. Видовой уровень. Вид – это совокупность особей нескольких популяций, способных к образованию плодовитого потомства, населяющих определенный ареал и обладающих общими морфо-функциональными признаками.
- Особенность каждого вида заключается в его генетической обособленности от остальных видов. Даже близкие виды чаще не оставляют общего плодовитого потомства.
- Видовое разнообразие исследуют различные дисциплины: систематика, экология.
- 8. Биогеоценотический (экосистемный) уровень. Биогеоценоз, или экологическая система, – это совокупность разных организмов (растений, животных, микроорганизмов) вместе со средой их обитания, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.
- Экосистема – основная структурная единица окружающего мира.
- Закономерности функционирования экосистем изучает синэкология (биогеоценология).
- 9. Биосферный уровень. Биосфера – единая глобальная экологическая система, область существования живого вещества, всех живущих на Земле организмов. Согласно современным представлениям в связи с убиквитарностью организмов, существование жизни возможно в температурных пределах от – 250 до +160 °С; при давлении от 0,01 до 3000 атм.
- Живое приспосабливается и к техносфере: даже в атомных реакторах могут жить особи радиоустойчивых микроорганизмов.
- Биосферный уровень исследует глобальная экология.
2. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ
- Выделение основных уровней организации жизни на Земле основано на следующих критериях:
- наличие специфических элементарных (дискретных) структур и
- наличие элементарных явлений.
- При этом подходе оказывается необходимым и достаточным выделять
- молекулярно-генетический,
- онтогенетический,
- популяционно-видовой
- и биогеоценотический уровни (биосферный) (Н.В.Тимофеев-Ресовский и др.).
1. Молекулярно-генетический уровень организации жизни
- Гены на молекулярно-генетическом уровне организации жизни представляют элементарные единицы.
- Элементарными явлениями, связанными с генами, считают их локальные структурные изменения (мутации) и передачу хранящейся в них информации внутриклеточным управляющим системам.
- Основные структуры на этом уровне (коды наследственной информации, передаваемой от поколения к поколению) представляют собой ДНК, РНК
- дифференцированные по длине на элементы кода – триплеты азотистых оснований, образующих гены.
2. Онтогенетический уровень организации жизни
- Жизнь представлена в форме дискретных индивидов. Это присуще прокариотам, растениям, грибам и животным. Вирусы также индивидуальны.
- В различных царствах органического мира индивиды имеют разное морфологическое содержание.
- Одноклеточные формы жизни состоят из ядра, цитоплазмы, органелл и мембран, макромолекул и более простых молекул.
- Иногда клеточный уровень выделяют как особый уровень организации жизни.
- Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, он может быть образован из миллионов и миллиардов клеток. Особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое.
- Элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат клетки,
- а элементарными явлениями – процессы, связанные с дифференцировкой и саморегуляцией развития.
- Онтогенез совершается вследствие работы саморегулирующейся иерархической системы, которая обеспечивает согласованную реализацию наследственных свойств и управление процессами в пределах особи.
3. Популяционно-видовой уровень организации жизни
- Популяция – элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление – естественный отбор мутационных изменений генотипического состава популяции.
- Популяции выступают как элементарные, далее не разложимые эволюционные единицы, представляющие собой генетически открытые системы (особи из разных популяций иногда скрещиваются, и популяции обмениваются генетической информацией).
- Виды как системы популяций, являются наименьшими, в природных условиях генетически закрытыми системами (скрещивание особей разных видов в природе в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства).
- Популяции оказываются элементарными единицами, а виды – качественными этапами эволюции.
- На популяционно-видовом уровне процесс эволюции протекает в череде поколений. Популяции и виды способны к существованию в течение длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию.
- Особи зависят от процессов, протекающих в популяциях. Популяции и виды, состоящие из множества особей, целостны.
- Целостность популяций и видов связана с взаимодействием особей в популяциях и поддерживается обменом генетического материала при половом размножении (для агамных и облигатно-партеногенетических форм этот вопрос разработан слабо).
4. Биогеоценотический (экосистемный) уровень организации жизни.
- Особи и популяции разных видов образуют в биосфере Земли сложные сообщества – экосистемы (совокупности растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок среды и находящихся в определенных отношениях между собой).
- Экологические системы (экосистемы) могут быть разного масштаба – от самого малого до биосферы в целом.
- Экосистема – взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией (А.Тенсли, 1935).
- Экосистема – «внеранговое» понятие, но есть классы экосистем, имеющие определенные размерные параметры и принципиальное значение.
- Как элементы организации всей биосферы, выделяются крупные экосистемы – биогеоценозы (В.Н.Сукачев, Н.В.Тимофеев-Ресовский).
- Биогеоценоз – это экосистема, внутри которой не выделяется биоценотических, микроклиматических, почвенных и гидрологических границ.
- Биогеоценоз – одна из наиболее сложных природных систем.
- Внешне границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ (фитоценозов).
- Элементарная структура биогеоценотического, или экосистемного уровня – экосистема, элементарное явление – связь биотических и абиотических элементов, выраженная в форме обмена веществом и энергией.
- Биогеоценозы – среда для эволюции входящих в них популяций. Популяции разных видов в биогеоценозах воздействуют друг на друга по принципу прямой и обратной связи.
- Развитие биогеоценоза регулируется силами, действующими внутри самой системы, поэтому говорят о саморегуляции биогеоценоза.
- Автономность и саморегуляция биогеоценоза определяют его ключевое положение как элементарной единицы на биогеоценотическом уровне в биосфере Земли.
- Биогеоценозы, образующие в совокупности биосферу, взаимосвязаны круговоротом веществ и энергии.
3. СИСТЕМНОСТЬ В ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
- При изучении живой материи анализируют большое количество взаимодействующих элементов с иерархически организованной сложностью.
- В биологии важен системный подход, системное видение и понимание проблем.
- Основы системного подхода заложены в трудах российского ученого А.А.Богданова (в 3 книгах: 1913, 1917, 1922) и австрийского биолога Л. фон Берталанфи, опубликованных в 50-х годах XX в.
- Система – это совокупность взаимодействующих элементов, способная осуществлять обмен веществом, энергией и информацией со средой.
- Взаимодействующие подсистемы и элементы в системе составляющих единое целое. Регуляция и саморегуляция системы идет по прямым и обратным связям.
- Для систем характерны:
- упорядоченность, саморегуляция, саморазвитие, пространственные ограничения.
- цель, структура и функция систем – взаимосвязанные атрибуты единого целого.
- разным целям соответствуют разные по структуре и функции системы.
- При описании систем используют:
- - принцип подобия части и целого;
- - принцип комплементарности;
- - принцип необходимого разнообразия подсистем.
- 1. Принцип подобия части и целого известен в глубокой древности:
- часть является подобием целого и поэтому все части одного иерархического уровня организации систем похожи.
- Однако закон подобия части и целого не абсолютен и целое качественно отлично и функционально богаче его частей. Например, дерево или группа деревьев – это еще не лес. Для леса характерны специфические круговороты веществ и энергии, сложнейшая регуляция этих процессов.
- 2. Принципе комплементарности (структурной и функциональной дополнительности) лежит в основе системной организации живого.
- Принцип комплементарности сформулирован Н.Бором как основа для организации физических объектов (протон комплементарен электрону).
- Для моделирования живых систем этот принцип использован биологами (при работе на семинарах в Европе Н.Бора, Н.В.Тимофеева-Ресовского и М.Дельбрюка).
- На основе идей структурной, стереохимической и функциональной дополнительности Д.Уотсоном и Ф.Криком создана модель вторичной структуры ДНК и открыт принцип функционирования нуклеиновых кислот.
- Принцип дополнительности использован для объяснения структурно-функциональных взаимоотношений системных взаимодействий: ДНК – РНК,
- РНК – белок,
- фермент-субстрат,
- антиген-антитело.
- Принцип комплементарности – один из основополагающих в разных областях природы.
- Велико значение комплементарности в экологии. Система разрушается при нарушении динамического равновесия элементов, существующих на основе дополнительности противоположностей.
- Например:
- хищник – жертва,
- продуцент – консумент,
- хозяин – паразит,
- цветковое растение – организм-опылитель,
- спорофит – гаметофит,
самец – самка.
Комплементарность растения и опылителя
- Строение околоцветника у клевера допускает опыление шмелями и пчелами.
- Когда клевер был привезен в Австралию и Новую Зеландию, где не было этих насекомых, без опыления семена не вызревали.
- Потребовалось завести шмелей, чтобы получить урожай семян клевера.
- Из шмелей (род Bombus) хозяйственную ценность имеют длиннохоботные виды, имеющие хоботок 10 мм и выше:
садовый B.hortorum – 13-20 мм,
подземный B.subterraneus- 10 мм,
чесальщик B.distinguendus – 11 мм,
полевой B.agrorum - 10 мм.
- Средняя глубина цветочной трубки клевера 10,5 мм, длина хоботка медоносных пчел 6-7 мм, поэтому они достают до нектара в периоды высокого его стояния или вгрызаются в трубку сбоку, не опыляя.
3. Принцип разнообразия и полноты (оптимальности) элементов
- Живые системы всех уровней организации представляют собой связанное структурно-функциональное единство со средой обитания, объединённую потоками энергии, вещества и информации.
- Биологическая система обладает закономерным свойством устойчивости, в ее основе лежит принцип необходимого разнообразия элементов системы.
- Саморазвивающаяся система не может сформироваться из одинаковых, идентичных элементов.
- При построении иерархического ряда используют один из принципов системного анализа: система состоит из частей, но и сама является частью большей системы.
4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ БИОСИСТЕМ
- 1. Биосистемы – это целостные системы.
- Обязательная черта целого – наличие в нем частей (элементов) и связей между ними, которые объединяют части, что приводит к появлению у них совокупности новых свойств, не присущих им при их разобщенности.
- Системы бывают целостные и нецелостные (целостные и суммативные системы).
- Главное в целостной системе – интегративные качества. Целое обладает новыми свойствами, которых нет в отдельных частях.
- В результате взаимодействия элементов суммативной системы не возникает качественно новых (интегративных, целостных) свойств.
- 2. Биосистемы – это открытые системы.
- Согласно Л. фон Берталанфи, открытые системы проявляют себя эквифинально, т.е. они способны из различных положений приходить в одинаковое состояние, в отличие от замкнутых, жестко детерминированных, систем.
- В биосистемах существуют постоянно действующие или готовые к действию агенты, обеспечивающие в ходе реализации разных механизмов постоянство внутренней среды (в определенном диапазоне их колебаний) – гомеостаз.
- 3. Биосистемы – это иерархические системы.
- Они подчиняются, как и любые другие системы, закону иерархичности. Иерархичность в организации биосистем нашла отражение и концепции структурных уровней или уровней организации живой материи.
- Система каждого уровня включает в себя системы низшего уровня, но сама одновременно является элементом (подсистемой) системы более высокого уровня.
- 4. Биосистемы – это самоуправляемые (саморегулируемые) системы.
- Проблема управляемости систем – одна из ведущих в современной науке. Важен факт организационной расчлененности биосистем на две категории частей:
- управляющие и исполняющие.
- В определении сущности жизни подчеркнута управляющая роль генов в организации биосистем.
- Закономерность в самоуправлении биосистем называют законом управления-исполнения организации биосистем:
- исполнительная (тактическая) часть организации биосистем реализует генетическую информацию посредством роста и развития.
- 5. Биосистемы – это воспроизводящиеся системы.
- Постоянно на Земле из исходного живого рождается производное (новое) живое.
- Биосистемы, которые создают себе подобных (воспроизводятся при размножении) – это самовоспроизводящиеся биосистемы.
- Прошлые и современные биосистемы, кроме гипотетических самых первичных, возникших из пробионтов (предживых) и неживых систем (Опарин, 1957, 1980), существуют на основе закона биогенеза:«все живое происходит только от живого» (принцип Реди».
- 6. Биосистемы – это биополимерные системы. Нижний и общий уровень для живого занимают биополимеры – макромолекулы: нуклеиновые кислоты, белки и др.
- Биополимеры составляют более сложные системы, в которых они синтезируются и функционируют: органеллы клеток, клетки, ткани, органы, организмы, биосферу.
- На биополимерном уровне находятся главные управляющие системы любых биосистем –молекулы ДНК (также РНК – у вирусов), обладающие способностью синтезировать себе подобные молекулы и управлять синтезом белков.
- 7. Биосистемы – это каркасные системы.
- На разных уровнях организации живого можно обнаружить каркас, на который опираются в своем существовании другие составляющие (элементы) биосистемы того же уровня.
- Химический элемент углерод (С) – великий соединитель – «мастер устанавливать ковалентные связи» (Роллер, 1978). Этот элемент обязателен для организации биосистем. Углерод можно рассматривать как химический каркас биосистем.
- Последовательности азотистых оснований, составляющих ДНК и (или) последовательности аминокислот в белках можно рассматривать как биохимический каркас биосистем.
- Среди органелл каркасную функцию выполняют биологические мембраны, формирующие внешнюю границу клетки, органелл (ядра, митохондрий, пластид, диктиосом, ЭПР). Это цитологический каркас.
- На уровне тканей каркас составляют опорные механические ткани (колленхима, склеренхима у семенных растений, костные ткани у животных). На уровне органов каркасные функции несут опорные органы (стебли, корни у семенных растений, скелет у позвоночных животных). Это механический каркас.
- Живые ткани, формирующие основу живой материи формируют физиологический каркас (хлоренхима и паренхима растений, мышечная и соединительная ткань животных).
- На уровне организмов каркасная функция принадлежит размножающимся особям. Обладая этими функциями, генеративные особи составляют каркас популяций.
- Каркасные ценотические популяции (по их функциональной роли – нормальные ценотические популяции (Работнов, 1978), обеспечивают каркас биологическим видам.
- В ценозах среди видов каркасные функции проявляют доминирующие в фитоценозах и зооценозах; такие виды составляют каркас биомероценозов.
- Во многих биоценозах каркасную роль выполняют фитоценозы – основные производители первичного органического вещества и аэраторы (О2).
- Крупномасштабные биоценозы океанов и лесные биоценозы суши составляют каркас биосферы Земли. По оценке степени участия биоценозов в выделении кислорода и биомассы на единицу площади каркас биосферы составят лесные биоценозы.
- Любая биосистема имеет определенную каркасную организацию, роль каркаса сводится к обеспечению оптимального жизненного состояния биосистемы для ее жизнесохранения.
- Организация биосистем обеспечивает оптимальное расположение и функционирование элементов биосистем в пространстве и времени только при условии дифференциации на каркасную (опорную) и несомую части.
- 8. Биосистемы – это коллективистские системы.
- Существует общая закономерность для всех биосистем: биосистема существует только в единстве с другими биосистемами (высшего, равного и низшего рангов), взаимодействуя с которыми непосредственно или опосредованно, через продукты их жизнедеятельности, создает круг связей, для обеспечения своего сохранения и сохранения всей живой природы.
- 9. Биосистемы – это выражение единства неживой и живой природы на молекулярном уровне организации материи.
- Биосистемы состоят из элементарных частиц, из атомов и молекул, что является всеобщим неживым материальным субстратом жизни.
- Биосистемы всегда существуют в соответствии с законом единства живого и неживого (закон Докучаева-Вернадского).
- 10. Биосистемы – это нормальные (здоровые) или больные системы.
- Биосистемы могут быть нормальными (здоровыми), и функционировать на средних и оптимальных режимах, или больными.
- Болезнь с медицинской точки зрения «есть состояние неустойчивого режима саморегуляции живой системы».
- Противоборство факторов здоровья и болезни осуществляется в соответствии с законом жизнесохранения.
- Биосистема тогда сохраняет здоровье, когда находит средства держать под контролем и подавлять собственные и внешние жизнеразрушительные свойства; чем меньше эта способность, тем сильнее проявление болезни.