Структурные уровни организации живых систем

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.

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, на которой смыкаются биология и химия.

1. Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.

В состав всех живых организмов входят органические соединения – белки. Белки являются биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре низкомолекулярных соединений (мономеров). Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему разнообразные свойства. В состав белка входит 20 аминокислот-мономеров.

Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Но с химической точки зрения ни сам белок, ни его составные части не представляют ничего уникального. Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, обладающих свойствами кислот и названных нуклеиновыми (то есть ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой – ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Удалось доказать, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки – хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном белке из набора всех белков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах.

Изучение строения и функции молекул нуклеиновых кислот стало возможным лишь при использовании физических методов и представлений. Молекулярная биология, изучающая биологические объекты и процессы на молекулярном уровне, – один из наиболее ярких примеров современной тенденции к интеграции научного знания. В настоящее время известно о полной расшифровке четырех геномов: Джеймса Уотсона, автора концепции ДНК, Крейга Вентера, работающего над созданием «искусственной жизни», а также геномы китайского мужчины и мужчины из африканской этнической группы. В каждом случае было проанализировано по три миллиарда базовых пар ДНК, входящих в состав каждой клетки организма исследованных людей.

В январе 2008 года совместная команда британских, китайских и американских ученых объявила о старте международного проекта 1000 Genomes Project, основной задачей которого станет выявление и изучение генных отклонений в организме людей, которые приводят к заболеваниям. Для того, чтобы картина была объективной, ученые намерены составить полную карту генома по крайней мере 1000 человек.

2. Клеточный уровень. Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае – из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.

Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра – прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток с развитой структурой, то есть клеток, имеющих ядро – эукариотов.

Вирусы – мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Они находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.

3. Тканевый уровень. Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.

4. Органный уровень. Органы состоят из тканей и представляют собой относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют.

5. Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим. Живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплекс внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития).

6. Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция – это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс. У каждой популяции существуют количественные границы. С одной стороны – это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции; с другой – это максимум особей, который может прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д. Популяции являются генетически открытыми системами, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможен обмен генетической информацией. Популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению нового вида. Вид представляет собой генетически закрытую подсистему, так как скрещивание особей разного вида в подавляющем большинстве не ведет к появлению плодовитого потомства.

7. Биоценотический уровень образован биоценозами – исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ, например лес, луг, болото и т.д. Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций – это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях.

8. Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли. Биосфера – это живое вещество планеты и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Вернадский рассматривал жизнь как силу, действенно формирующую облик Земли. Живое вещество соединяет историю химических элементов с эволюцией биосферы. Живое и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. Биогенный ток атомов вызывается живым веществом и выражается в постоянном процессе дыхания, питания, размножения. В состав биосферы Вернадский включал:

· живое вещество – совокупность всех живых организмов Земли;

· биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ и т.д.);

· косное вещество, образованное в процессах без участия живого вещества;

· вещества, создаваемые живыми организмами и косными процессами, их динамическое равновесие;

· вещества, находящиеся в процессе радиоактиного распада;

· рассеяные атомы, выделяющиеся из земного вещества под влиянием космических излучений;

· вещество космического происхождения, включающее отдельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из космоса.

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.