Уровни организации живой природы

 

Жизнь на Земле представляет собой целостную систему четырех основных уровней организации живой материи:

-молекулярно-генетического;

-организменного (онтогенетического);

-популяционно-видового (филогенетического);

-биогеоценотического (биосферного).

Единицей молекулярно-генетического уровня выступает ген – элемент молекулы ДНК, несущий наследственную информацию.

Единицей организменного уровня выступает отдельный организм. Онтогенез – процесс индивидуального развития организма (по сути, реализация наследственной информации). Термин ввел Э.Геккель. Он сформулировал общебиологический биогенетический закон, согласно которому онтогенез есть краткое и сжатое повторение филогенеза. Филогенез – развитие вида, к которому принадлежит данный организм. Индивид повторяет в быстром и кратком ходе своего развития самые важные формы, через которые прошли его предки в длительном ходе палеонтологического развития.

Единицей популяционно-видового уровня является популяция – «атом» эволюции, совокупность особей одного вида, изолированная от других групп вида. Вид – генетически закрытая система популяций. Скрещивание особей разных видов в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства. Эволюция вида осуществляется через изменение генотипа популяции. Термин «популяция» введен одним из основателей генетики В.Иогансеном. Изучением популяций занимается популяционная биология.

Биосферный уровень изучает экология. Единица биогеоценотического уровня - биогеоценоз (экологическая система). Это элементарная ячейка биосферы, ее естественная модель. Термин ввел российский ученый В.Н.Сукачев (1940), а термин «экосистема» - английский ботаник А.Тенсли (1935). Компонент биогеоценоза - биоценоз – исторически сложившееся сообщество популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, связанных друг с другом и средой обменом веществ. Виды для своего существования нуждаются друг в друге, выполняя свою функцию в экосистеме, что является результатом коэволюции – взаимной приспособляемости.

Биогеоценоз – совокупность биотических (популяции различных видов растений, животных и микроорганизмов) и абиотических (атмосфера, почва, вода, солнечная энергия) элементов, связанных между собой обменом веществ, энергии и информации.

Границы биогеоценозов совпадают с границами фитоценоза (совокупности растений). Более 90% живого вещества приходится на наземную растительность (97% биомассы суши). Основой пищевой цепочки экосистемы являются автотрофы (зеленые растения и микроорганизмы, хемосинтетики (некоторые бактерии)), питающиеся неорганическими соединениями и производящие органическое вещество. Хемосинтетики синтезируют органику в процессе окисления и служат пищей для гетеротрофов первого порядка – травоядных животных, грибов, большинства бактерий, вирусов. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся травоядными животными и т.д. Животные, в свою очередь, играют важную роль в жизни растений (опыление, круговорот веществ и т.д.). Заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы, перерабатывающие отмершие организмы в неорганические вещества.

Биогеоценозы устойчивые системы. Чем более многообразна экосистема, чем больше число составляющих ее видов, тем она более жизнеспособна. Но даже выпадение одного элемента может вызвать необратимое нарушение равновесия и распад биогеоценоза. Поэтому для его нормальной жизнедеятельности необходимо сохранение всех его элементов. Изменения, касающиеся одного вида, влияют на биоценоз и могут вызвать его распад. Численность каждого вида колеблется вблизи равновесного уровня. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, называется экологической катастрофой.

В условиях развала экосистемы идет активное видообразование. Предсказать процесс видообразования невозможно из-за сложной комбинации множества факторов. Искусственное создание новых видов организмов может запустить каскад видообразования, создание нового мира, в котором человеку может не оказаться места.

Учение о биосфере

 

Совокупность экосистем на Земле называется биосферой. Это живые организмы со средой обитания. Современное понимание биосферы подчеркивает взаимосвязь живой и неживой природы: круговорот вещества обеспечивает существование жизни. Биосфера ограничена пределами озонового слоя (защищающим жизнь от ультрафиолета) и высокой температурой земных недр (на глубине 3км достигающей 100⁰С) - примерно 40км: 30км атмосферы, гидросферу, верхнюю часть литосферы (10м). Гидросфера богата живыми организмами до 200м; некоторые обнаружены на глубине 11км. Температурный интервал жизни от -252 до +180⁰С (432⁰С). Живые существа на поверхности Земли защищены озоновым слоем (10-50км).

Термин «биосфера» впервые использован в 1875 году австрийским ученым Э.Зюссом, понимавшим под ним только совокупность живых организмов. Изменил представление в 1930-е годы российский ученый В.И.Вернадский, начавший разрабатывать комплексное учение о биосфере. По его мнению, живое вещество по массе составляет незначительную часть биосферы, но является ведущим ее компонентом – геохимической силой, меняющей облик планеты. В ходе геологической эволюции воздействие живого вещества на неживую природу возрастает. Человечество является частью живого вещества. Ступень развития биосферы, связанная с появлением человека называется ноосферой (от греч. «разум»). Понятие введено французским ученым Э.Леруа в 1927 году. Главным фактором эволюции ноосферы выступает разумная деятельность человека. Вернадский считал, что переход биосферы в ноосферу связан с преобразованием не только природы, но и самого человека. Концепцию ноосферы также развивали русский ученый А.Л.Чижевский и французский - П.Тейяр де Шарден.

Естественнонаучное развитие концепции биосферы привело к созданию в начале ХХ века науки экологии (от греч. «жилище»). Экология – наука, изучающая взаимодействие живых организмов друг с другом и средой обитания. Термин ввел в 1866 году Э.Геккель. Современная экология вышла за рамки биологии. Например, выделяют медицинскую, промышленную, социальную, историческую, этическую и т.д. экологии. Их идеи и принципы вышли на мировоззренческий уровень и связали экологию с философией.

Интеграцию Вернадский считал сущностной характеристикой биосферы. Современная биология использует понятие коэволюции, означающее взаимное приспособление видов. Именно коэволюция обеспечивает устойчивость биосферы. Например, уничтожение хищных животных ухудшает генофонд травоядных.

Насколько уникален человек, настолько он и уязвим. Главный враг человечества – он сам. С одной стороны, множество видов живых организмов он уничтожил. Считается, что человек уничтожил 70 % экологических систем. С другой стороны, он вывел огромное количество видов растений и животных. Современная наука открывает перед человечеством таинственный «ящик Пандоры»: клонирование человека и животных, воссоздание вымерших видов живых существ, создание новых форм живого. Бесконтрольная активность может привести к опасной для человечества труднопредсказуемой реакции биосферы. Примеры: загрязнение промышленными отходами окружающей среды, разрушение озонового слоя, парниковый эффект. Промышленные выбросы углекислоты в настоящее время не компенсируются процессами фотосинтеза. Следствием парникового эффекта может стать глобальное потепление климата, ведущее к таянию ледников и повышению уровня мирового океана.

От начала неолитической революции (перехода от собирательства к производящему хозяйству, образованию города) прошло около 10 000 лет. В настоящее время созданная человеком за год техномасса на порядок превышает вес дикой биомассы. Поэтому важно при решении экологических проблем создавать безотходные технологии с замкнутым циклом использования материалов.

Проблема выживания человечества требует поиска путей гармоничного сосуществования, коэволюции человека и биосферы.

Клеточная теория

 

Общепринятой теории происхождения протоклетки пока нет.

Изучением клетки занимается цитология. Исследование микроскопического строения живых организмов стало возможно благодаря изобретению микроскопа в 1600 году. Понятие «клетки» ввел в научный оборот английский ботаник Р.Гукк в 1665 году. В 1831 году Р.Броун установил существование клеточного ядра. В 1839 году биологи М.Я.Шлейден и Т.Шванн создали клеточную теорию строения живых организмов, которая имела большое значение для утверждения теории эволюции, стала убедительным аргументом в пользу идеи единства происхождения и развития всего живого на Земле. Шлейден установил, что все растения состоят из клеток, а Шванн распространил это учение на животный мир.

Клетка – основа живого, элементарная биологическая единица, «атом». Она обладает всеми свойствами живого – самостоятельный обмен веществ (метаболизм), способность к саморегуляции и воспроизводству. Метаболизм предназначен для поддержания определенного уровня организации и включает доставку в клетку исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из клетки выработанных продуктов и энергии. Он служит основой гомеостаза (саморегуляции) – механизма поддержания постоянства параметров внутренней среды клетки и всего организма (кровяное давление, температура тела, частота пульса и т.д.).

Клетки многообразны. Выделяются прокариоты (доядерные клетки) и эукариоты (ядерные). К прокариотам относятся бактерии и археи. Потомками прокариот являются такие органоиды эукариотических клеток как митохондрии («энергетическая станция клетки») и пластиды (органоиды эукариотических растений и некоторых фотосинтезирующих простейших).

Клетки существуют как одноклеточные организмы (например, амебы), так и в составе многоклеточных. У них разный срок существования. Например, некоторые клетки пищевода человека живут несколько дней, а нервные клетки могут существовать в течение всей жизни человека. Жизненный цикл клетки определяется ее гибелью или делением. Размеры лежат в пределах 0.001-10 см. Нервные клетки, имеющие отростки, могут иметь размеры более метра. Температурный диапазон существования одноклеточных достигает 600 ⁰С. В многоклеточных организмах клетки дифференцированы, образуя ткани (нервная, мышечная и т.д.) и органы (несколько типов тканей). Клетки имеют одинаковый набор генов, но в них работают только те гены, которые необходимы для развития данной ткани (органа).

В структуре эукариотической клетки выделяют мембрану, отделяющую содержимое клетки от внешней среды, заполняющую клетку цитоплазму, представляющую соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекуламиРНК (рибонуклеиновая кислота), ядро, содержащее хромосомы, органоиды и клеточные включения. Хромосомы – элементы ядра, носители наследственной информации, состоящие из молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), к которым могут быть присоединены белки и РНК. Размножение клеток происходит только благодаря делению. Различают два способа деления. Митоз – деление клеточного ядра на два дочерних с идентичными родительскому набору хромосом. Мейоз – деление клеточного ядра на четыре дочерних ядра, каждое содержащее вдвое меньше родительских хромосом. Митоз характерен для всех клеток, кроме половых, мейоз – только для половых, содержащих половинный набор хромосом по сравнению с соматическими клетками. Гаметы – половые (зародышевые) клетки животных и растений. Все клетки организма имеют одинаковый набор генов, так как возникают из одной зародышевой клетки в процессе многократного деления.

Клеточная теория выводила на генетику, так как клеткообразование предполагает механизм управления процессом.