Вспомните основные уровни организации жизни на Земле. Что является структурно-функциональной единицей каждого уровня организации? Какие процессы жизнедеятельности характерны для каждого из уровней?
Изучение биологических систем показывает, что все они отличаются друг от друга степенью сложности, своеобразием структур, процессов и функций. Простые биосистемы входят в состав более сложных; биохимические реакции на низших уровнях живого, служат предпосылкой для процессов, происходящих на высших уровнях биологической организации.
Уровни организации биосистем. По наличию специфических структурно-функциональных единиц и происходящих с ними процессов выделяют шесть основных уровней организации жизни: молекулярно-генетический, органоидно-клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный (рис. 7).
Существование уровней организации живой природы, т.е. биосистем разной степени сложности, обеспечивает единство жизни на нашей планете, ее целостность как космопланетарного явления. Переход от одного уровня к другому сопровождается, с одной стороны, полным сохранением качеств биосистем предыдущего уровня, а с другой - появлением новых свойств, характерных для более высокого уровня организации.
Например, с объединением клеток и межклеточного вещества в ткани многоклеточного организма, свойства отдельных клеток не исчезают. Они продолжают питаться, дышать, выделять конечные продукты обмена веществ, реагировать на раздражения среды. Вместе с тем, ткань приобретает в процессе развития многоклеточного организма ряд новых свойств, главное из которых - дифференциация клеток, т.е. их специализация по выполняемым функциям.
Другой пример: организмы, принадлежащие к одному виду, образуют в природе популяции. Каждая особь в популяции имеет свои наследственные признаки, которые сохраняются на протяжении ее жизни неизменными. Популяция как биосистема более высокого ранга, чем организм, приобретает новое свойство - общий генофонд, объединяющий генотипы всех образующих популяцию особей. Генофонд популяции может направленно изменяться под действием движущих сил эволюции, следствием чего становится образование новых видов организмов, в то время как отдельный организм не эволюционирует.
Рис. 7. Уровни организации биосистем и происходящие на них процессы
Процессы, происходящие в биосистемах. Для биосистем любого ранга характерны определенные процессы. Несмотря на большое разнообразие химических, физиологических, онтогенетических, эволюционных и иных процессов, практически во всех биосистемах происходят обмен веществ и превращение энергии, самовоспроизведение, саморегуляция, саморазвитие и приспособление к окружающей среде. Рассмотрим некоторые из этих процессов.
Обмен веществ и превращение энергии происходят на всех уровнях организации биосистем. На молекулярно-генетическом и органоидно-клеточном уровнях осуществляется фиксация солнечной энергии молекулами хлорофилла и ее преобразование в энергию макроэргических связей АТФ, а далее в химическую энергию углеводов. Реакции фотосинтеза вовлекают в биосистемы практически неиссякаемый источник солнечной энергии. Затем она в виде углеводов, белков, жиров и других синтезированных органических соединений передается по пищевым цепям от автотрофных организмов гетеротрофным, т.е. переходит на биогеоценотический и биосферный уровни (рис. 8). В процессе этих превращений один вид энергии переходит в другой, исходные вещества химических реакций преобразуются в конечные продукты.
Самовоспроизведение - один из наиболее характерных процессов в биосистемах. На молекулярно-генетическом уровне в ядрах клеток организмов осуществляется редупликация (самоудвоение) ДНК, лежащая в основе передачи наследственных свойств от родителей к потомству. На остальных уровнях организации биосистем процесс самовоспроизведения характеризуется большим разнообразием форм и способов: от деления органоидов (пластид и митохондрий) и клеток (митоз, мейоз) до полового и бесполого размножения организмов и воспроизведения живого вещества в биосфере. Самовоспроизведение обеспечивает существование живой материи на нашей планете в пространстве и во времени, т.е. в разных средах жизни и на протяжении всей истории развития органического мира.
Рис. 8. Обмен веществ и превращение энергии в биосистемах
Саморегуляция проявляется в способности биосистем поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность происходящих процессов. Главная особенность саморегуляции заключается в том, что регулирующие механизмы действуют на биосистему не извне, а формируются в ней самой. Примером саморегуляции на молекулярно-генетическом уровне служат ферментативные реакции. Концентрация конечных продуктов в этих реакциях поддерживается автоматически, что влияет на работу катализирующих их белков-ферментов (рис. 9).
На органоидно-клеточном уровне саморегуляция проявляется в самосборке органоидов, поддержании постоянства концентрации ионов, белков, углеводов и других соединений в цитоплазме клетки на определенном уровне. На организменном уровне саморегуляция осуществляется через нервную и эндокринную системы, а в популяциях организмов - благодаря увеличению или уменьшению рождаемости и смертности. В биогеоценозах и биосфере саморегуляции подвержены потоки энергии и круговороты веществ, осуществляемые в соответствии с распределением биомассы организмов на планете, условиями неживой природы, хозяйственной деятельностью человека.
Рис. 9. Саморегуляция на молекулярно-генетическом уровне
Биосистемы обладают способностью к саморазвитию, заложенному структурой образующих их элементов. На клеточном и организменном уровнях этот процесс связан с реализацией генетической программы и воздействием условий окружающей среды на проявление признаков. В процессе индивидуального развития организма происходит увеличение массы его тела за счет роста числа клеток, развития тканей, органов и их систем. Процесс саморазвития происходит также на популяционно-видовом и биогеоценотическом уровнях. Например, историческое развитие органического мира от простых форм к сложным привело к возникновению разнообразия видов и биоценозов на нашей планете. Изменения, вносимые в природу деятельностью организмов, в том числе и человеком, приводят к смене одних природных сообществ другими.
Определение жизни. Рассмотренные уровни организации биологических систем и происходящие процессы позволяют дать обобщенное определение жизни как основного способа существования биологических систем. Известно несколько таких определений. Например, древнегреческий ученый Аристотель определял жизнь как «питание, рост и одряхление». Французский химик А. Лавуазье называл жизнь «горением», связанным с окислением питательных веществ кислородом. Русский физиолог И.П. Павлов определял жизнь как «сложный химический процесс».
Одно из первых научных определений жизни в 1894 г. дал немецкий философ Ф. Энгельс. В книге «Диалектика природы» он привел ставшее классическим определение: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, ... причем, с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
С открытием нуклеиновых кислот (носителей генетической информации и материальной основы наследственности и изменчивости организмов), а также с открытием реакций клеточного метаболизма, энергетики и информационных связей биосистем, представление о сущности жизни расширилось. Одно из современных определений такое: жизнь - это активное, происходящее с затратой энергии, веществ и получением информации поддержание и самовоспроизведение саморегулирующихся систем, химическую основу которых составляют белки и нуклеиновые кислоты.
Уровни организации жизни (биосистем): молекулярно-генетический, органоидно-клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный: процессы в биосистемах: обмен веществ и превращение энергии, самовоспроизведение, саморегуляция, саморазвитие; жизнь.
1. Перечислите основные уровни организации биосистем. Докажите, что переход с более низкого уровня организации на более высокий сопровождается приобретением биосистемами новых свойств. 2. Какие процессы происходят в биосистемах? Дайте краткую характеристику каждого из них. 3. Приведите современное научное определение жизни. Какие существенные признаки живого отражены в этом определении? 4. На основании характерных черт организации биосистем и происходящих в них процессов, предложите свое определение жизни.
Используя окружение вашей школы, выясните, какие биологические системы можно наблюдать невооруженным глазом. Какие процессы в них происходят и на основании каких количественных и качественных данных можно сделать об этом предположение? Отчет о своих наблюдениях оформите в виде проектной работы.
Биологические системы ученые исследуют, используя научный метод. Он связан со строгой последовательностью действий, первое из которых - наблюдение. Наблюдатель фиксирует количественные и качественные данные, например, измеряет объект и описывает его форму. Затем, на основании полученных данных формулируется проблема - четкий вопрос относительно того, что надо изучить из ранее не известного об объекте или процессе. Для поиска путей решения проблемы выдвигается гипотеза, т.е. научное предположение, которое может объяснить наблюдаемые данные. Для проверки выдвинутой гипотезы на следующем этапе научного исследования разрабатывается и проводится эксперимент. Анализ результатов эксперимента (объяснение) позволяет решить, верна ли выдвинутая ранее гипотеза; в зависимости от этого, она принимается, изменяется или отвергается. В случае принятия, гипотеза становится рабочей, и если ее в дальнейшем не удается опровергнуть, то она становится теорией. В теории находят обобщение эмпирические данные об объекте или процессе. Если новые факты не противоречат сформулированной ранее теории и на ее основе можно их предсказывать, то теория становится правилом или законом. Правило имеет исключения, а закон всегда универсален, например, закон биогенной миграции элементов справедлив для всех круговоротов веществ в биосфере Земли.