Молекулярно-генетический . Элементарная единица организации – ген. Элементарное явление – редупликация ДНК, перенос генетической информации в дочернюю клетку. Молекулярный уровень организации жизни является предметом изучения молекулярной биологии. Она изучает строение белков, их функции (в том числе как ферментов), роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетической информации, т.е. процессы синтеза ДНК, РНК, белков.

Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками – самостоятельными организмами (бактерии, простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта клеточного уровня заключается в том, что с этого уровня начинается жизнь , так как возникающий на молекулярном уровне матричный синтез происходит в клетках. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, ее элементарными единицами, из которых построены все живые существа. Характерной особенностью клеточного уровня является специализация клеток. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и времени.

Тканевый уровень. Ткань – совокупность клеток, имеющих общее происхождение, сходное строение и выполняющих одинаковые функции. У млекопитающих, например, выделяют четыре основных типа тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная.

Организменный (онтогенетический) уровень. На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы, в том числе дифференцировку, механизмы адаптации и поведения. Элементарная неделимая единица организации жизни на этом уровне – особь. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это могут быть и одноклеточные индивидуумы, и многоклеточные, состоящие из миллионов и миллиардов клеток.

Популяционно-видовой уровень. Основной элементарной, структурной единицей на этом уровне является популяция. Популяция – локальная, географически отделенная в той или иной степени от других группа особей одного вида, свободно скрещивающихся друг с другом и имеющих общий для них генетический фонд. Элементарное явление популяционно-видового уровня – изменение генотипического состава популяции, а элементарный материал – мутация. На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамику генетического состава популяций.

Биоценотический уровень. Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества. Такие сообщества в конкретных участках биосферы называют биоценозами. Биоценоз – комплекс, складывающийся из растительного сообщества (фитоценоза), населяющего его животного мира (зооценоза), микроорганизмов и соответствующего участка земной поверхности. Все компоненты биоценоза связаны между собой круговоротом веществ. Биоценоз – продукт совместного исторического развития видов, различающихся по систематическому положению.

Для живой природы нашей планеты характерно сложное, иерархическое соотношение уровней организации . Весь органический мир и окружающая среда образует биосферу, которая, в свою очередь состоит из биогеоценозов (экосистем) - территорий с характерными природными условиями и определёнными растительными и животными комплексами (биоценозами). Биоценозы образованы популяциями - группами растительных и животных организмов одного вида, живущими на определённой территории и способнымы к произведению. Популяции состоят из представителей конкретных видов (особей), способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Многоклеточные организмы состоят из органов и тканей, образованных клетками. Одноклеточные организмы и клетки образованы внутриклеточными структурами, которые состоят из молекул.

Исходя из этого, выделяют несколько уровней организации живой материи .

Для каждого уровня организации живых организмов характерны свои закономерности, связанные со своими конкретными принципами организации, особенностями взаимоотношения с другими уровнями.

Общая биология изучает основные закономерности жизненных явлений, которые происходят на различных уровнях организации живого. Рассмотрение организации живой материи начинается из выяснения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, две или несколько тканей формируют орган. Многоклеточный организм имеет сложное строение, который состоит из тканей и органов, в то же время есть элементарной единицей биологического вида. Взаимодействуя между собой виды составляют сообщество, или экологическую систему, которая, в свою очередь, является одним из компонентов биосферы.

Каждый уровень организации организмов изучают соответствующие отрасли биологии.

Молекулярный уровень

Замечание 1

Любая живая система, как бы сложно она не была организована,определяется на уровне функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а так же иных важных органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и т. п.

Молекулярная биология, молекулярная генетика, физиология, цитохимия, биохимия, биофизика, определённые разделы вирусологии, микробиологии изучают физико-химические процессы, происходящие в живом организме (синтез, разложение и взаимные преобразования белков, нуклеиновых кислот, полисахариды, липидов и других веществ в клетке; обмен веществ, энергии и информации, которые регулируют эти процессы).

Такие исследования живых систем показали, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, которые в неживой природе практически невозможно обнаружить. Для живых организмов наиболее характерны такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды (жироподобные соединения) и составляющие их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, жирные кислоты). Так же, на этом уровне изучается синтез, распад и взаимные преобразования этих соединений в клетках, обмен веществ, энергии и информации, регуляция данных процессов.

В результате подобных исследований было выяснено, что важнейшая особенность основных путей обмена - действие биологических катализаторов - ферментов (соединений белковой природы), которые строго избирательно влияют на скорость химических реакций. Так же изучено строение некоторых аминокислот, ряда белков и многих простых органических соединений. Установлено, что химическая энергия, которая освобождается в ходе биологического окисления (процессы дыхания, гликолиза), запасается в виде богатых на энергию соединений (в основном - аденозинфосфорные кислоты АТФ, АДФ и др.), а потом используется в процессах, которые требуют поступления энергии (мышечные сокращения, синтез и транспорт веществ). Крупным успехом стало открытие генетического кода. Выяснено, что закодированная в ДНК наследственность через белки-ферменты контролирует как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом.

Исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, раскрытия их взаимосвязи между собой.

Используемые методы исследования на молекулярном уровне:

• электрофорез (для разделения макромолекул с использованием их различия в зарядах);
• ультрацентрифугирование (для разделения макромолекул с использованием их различия в плотности и размерах);
• хроматография (для разделения макромолекул с использованием их различия в адсорбционных свойствах);
• рентгеноструктурный анализ (изучают взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах);
• радиоизотопы (исследование путей превращения веществ, скорости их синтеза и распада);
• искусственное моделирование систем из выделенных клеточных элементов (воспроизведение процессов, идущих в клетке - все биохимические процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах).

Клеточный уровень

На клеточном уровне цитология, гистология, и их отделы (кариология, цито- и гистохимия, цитофизиология, цитогенетика), многие разделы физиологии, микробиологии и вирусологии изучают строение клетки и внутренних клеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в тканях и органах организма. Свободноживущих неклеточных форм жизни не существует.

Клетка - основная самостоятельная функциональная и структурная единица многоклеточного организма. Существуют одноклеточные организмы (водоросли, грибы, простейшие, бактерии). Также клетка есть единицей развития всех живых организмов, которые существуют на Земле. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции.

Благодаря исследованиям на клеточном уровне изучены основные компоненты клетки, строение клеток и тканей, их изменения в процессе развития.

Методы исследования на клеточном уровне:

• микроскопия (световой микроскоп позволяет видеть объекты до 1 мкм);
• цветные гистохимические реакции (выявление локализации в клетке различных химических веществ и ферментов);
• авторадиография (выявление в клетке мест синтеза макромолекул);
• электронная микроскопия (различение структур вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднительно из-за недостаточной контрастности изображения);
• центрифугирование (изучение функций внутриклеточных компонентов - их выделяют из разрушенных (гомогенизированных) клеток);
• культура тканей (исследование свойств клеток);
• микрохирургия (обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизация) клеток.

Тканевый уровень

Ткань есть совокупностью сходных за строением клеток, объединённых исполнением общей функции. Сотни разнообразных клеток входят в составляют тело разнообразных многоклеточных организмов. Разнообразные клетки животных образуют $4$ типа тканей: нервную, соединительную, эпителиальную и мышечную. У растений различают образующие и постоянные ткани. К постоянным тканям относятся покровные, проводящие, механические и основная ткань.

Органный уровень

Определение 2

Органы - это высокодефференциированные части тела, которые размещены в определённом месте и исполняют специальные функции. Это структурно - функциональные объединения нескольких типов тканей. Они образуются в процессе развития из клеток различных тканей.

Группы разных органов коллективно функционируют для исполнения общей для организма функции. У человека есть такие системы органов: пищеварительная, дыхательная, сердечно - сосудистая, нервная, секреторная, выделительная, репродуктивная, Эндокринная, мышечная, скелетная и система покровных тканей. Каждый отдельный орган системы исполняет конкретную функцию, но все вместе работают как одна «команда», обеспечивая максимальную эффективность всей системы. Все системы органов функционируют во взаимосвязи и регулируются нервной и эндокринной системами. Нарушение функционирования любого органа приводит к патологии всей системы и даже организма.

Организменный уровень

Физиология (растений и животных, высшей нервной деятельности), экспериментальная морфология, эндокринология, эмбриология, иммунология, а также ещё рад других биологических отраслей изучают процессы и явления, происходящие в особи, и согласованное функционирование её органов и систем.

На этом уровне для создания общей теории онтогенеза проводятся исследования, направленные на раскрытие причинных механизмов становления биологической организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетической информации в онтогенезе. Также изучаются механизмы работы органов и их систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную и гуморальную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и др.

На этом уровне изучаются также механизм работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношения органов, поведение организмов, приспособительные изменения.

В данный момент применяются методы исследования:

• электрофизиологические (состоят в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов);
• биохимические (проводится изучение эндокринной регуляции - выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов);
• кибернетические (исследование ВНД животных и человека методом моделирования);
• экспериментальные (выработка условных рефлексов, постановка задач).

Популяционно - видовой уровень

Определение 3

Определённые отрасли биологии (морфология, физиология, генетика, экология) изучают элементарную единицу эволюционного процесса - популяцию - совокупность особей одного вида, населяющих определённую территорию, более или менее изолированную от соседних групп.

Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано с молекулярным, клеточным и организменным уровнями.

Методами исследования являются методы тех наук, которые изучают конкретно поставленные на этом уровне вопросы:

• генетические методы - характер распределения наследственных особенностей в популяциях;
• морфологические
• физиологические
• экологические.

Популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных биологических отраслей.

Биогеоценотический, или биосферный, уровень

Определение 4

Биогеоценология, экология, биогеохимия и другие отрасли биологии изучают процессы, происходящие в биогеоценозах (экосистемах) - элементарных структурных и функциональных единицах биосферы.

На этом уровне ведутся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения биотических и абиотических компонентов, которые входят в состав биогеоценоза; изучается движение живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов. Такой подход даёт возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека и в форме международной программы «Человек и биосфера» координировать усилия биологов многих стран.

Важное практическое значение имеет изучение биологической продуктивности биогеоценозов (утилизации энергии солнечной радиации путём фотосинтеза и использования гетеротрофными организмами энергии, запасённой автотрофами).

Замечание 2

Необходимость детального изучения биосферного уровня организации живого обусловливается тем, что биогеоценозы - среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете.

Различают молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобаль- ный (биосферный) уровни организации живого. На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями, присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.

Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и стероидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул. На этом уровне зачинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельно- сти (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.). Физико-химическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основная масса живого представлена углеродом, кислородом, водородом и азотом. Из группы атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Большинство этих соединений в клетках представлены нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров и соединения последних в определенном порядке. Кроме того, мономеры макромолекул в пределах одного и того же соединения имеют одинаковые химические группировки и соединены с помощью химических связей между атомами, их неспецифи-

ческих частей (участков). Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из четырех известных (аденин, гуанин, цитозин или тимин), вследствие чего любой нуклеотид неповторим по своему составу. Неповторима также и вторичная структура молекул ДНК.

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Более того, эти процессы осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Например, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции.

Специфичность белков определяется специфической последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические биологические свойства белков, так как они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и регуляторами реакций в клетках. Углеводы и липиды служат важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

На молекулярном уровне осуществляется превращение энергии - лучистой энергии в химическую, запасаемую в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул - в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэргических связей АТФ. Наконец, здесь происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу - механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулами и следующим за ним уровнем (клеточным), так как являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организ-

мов (бактерии, простейшие и др.), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл. Заметные различия в строении есть между клетками-прокариотами и клеткамиэукариотами, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки».

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных еди- ниц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам. Например, у клеток-эукариотов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембра- на, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы). Мембранные структуры являются «ареной» важнейших жизненных процессов, причем двухслойное строение мембранной системы значительно увеличивает площадь «арены». Кроме того, мембранные структуры обеспечивают пространственное разделение в клетках многих биологических молекул, а их физическое состояние позволяет осуществлять постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Таким образом, мембраны являются системой, компоненты которой находятся в движении. Для них характерны различные перестройки, что определяет раздражимость клеток - важнейшее свойство живого.

Тканевой уровень. Данный уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, кровь, нервная и репродуктивная). У рас-

тений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень. Представлен органами организмов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных органелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. Для позвоночных характерна цефализация, заклю- чающаяся в сосредоточении важнейших нервных центров и органов чувств в голове.

Организменный уровень. Данный уровень представлен самими организмами - одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность организменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходят декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида.

Видовой уровень. Данный уровень определяется видами растений и животных. В настоящее время насчитывают около 500 тыс. видов растений и около 1,5 млн видов животных, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Вид является также единицей классификации живых существ.

Популяционный уровень. Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции, которые характеризуются определенным генофондом. В пределах одного и того же вида может насчитываться от одной до многих тысяч популяций. В популяциях осуществляются элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка новой адаптивной формы.

Биоценотический уровень. Представлен биоценозами - сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависящих сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще подвижное равновесие между организмами и абиотическими факторами. На том уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Глобальный (биосферный) уровень. Данный уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии.

Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство. Живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т. е. появляется новое качество.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. В чем заключается всеобщий методологический подход к пониманию сущности жизни?

2. Можно ли определить сущность жизни, если да, то в чем заключается ее определение?

3. Возможна ли постановка вопроса о субстрате жизни?

4. Назовите свойства живого. Укажите, какие из этих свойств характерны для неживого и какие только для живого?

5. Какое значение для биологии имеет подразделение живого на уровни вообще и для медицины в частности?

6. Какими общими чертами характеризуются разные уровни организации живого?

7. Какое значение для студента-медика имеет изучение проблем, описываемых в этой главе?

8. Почему нуклеопротеиды считают субстратом жизни и при каких условиях они выполняют эту роль?

9. Каковы свойства «мертвого» и «живого»?

10. Обладают ли выделенные из клеток нуклеопротеиды свойствами субстрата жизни?

Уровни организации живого

В организации живого в основном различают молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобальный (биосферный) уровни. На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями, присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.

Молекулярный уровень . Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.

Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми малыми биологическими молекулами являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами. Например, диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6,5 нм.

Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые в процессе метаболизма превращаются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы с большой молекулярной массой (рис. 42). На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

Физикохимическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Большинство этих соединений в клетках представлено нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров, и соединения последних в определенном порядке. Кроме того, мономеры макромолекул в пределах одного и того же соединения имеют одинаковые химические группировки и соединены с помощью химических связей между атомами их неспецифических частей (участков).

Все макромолекулы универсальны, т. к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из четырех известных (аденин, гуанин, цитозин и тимин), вследствие чего любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и вторичная структура молекулы ДНК. В состав большинства белков входит 100-500 аминокислот, но последовательности аминокислот в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными.

Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмоле-кулярные структуры, примерами которых являются нуклеопроте-иды, представляющие собой комплексы нуклеиновых кислот и белков, липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков). В этих структурах комплексы связаны нековалентно, однако нековалентное связывание весьма специфично. Биологическим макромолекулам присущи непрерывные превращения, которые обеспечиваются химическими реакциями, катализируемыми ферментами. В этих реакциях ферменты превращают субстрат в продукт реакции в течение исключительно короткого времени, которое может составлять несколько миллисекунд или даже микросекунд. Так, например, время раскручивания двухцепочечной спирали ДНК перед ее репликацией составляет всего лишь несколько микросекунд.

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают другие биологические молекулы.

Специфичность белков определяется специфической последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические биологические свойства белков, т. к. они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и регуляторами различных процессов, протекающих в клетках. Углеводы и липиды являются важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды в виде стероидных гормонов имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что процессы биосинтеза осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, глико-лиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти мутации изменяют последовательность азотистых оснований в молекулах ДНК.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул - в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ. Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу - механическую, электрическую, химическую, осмотическую, механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), т. к. являются материалом, из которого образуются надмолекуляр-ные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Клеточный уровень . Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого ^уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются ос-иовной формой организации живой материи, элементарными еди-Вицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл. Заметные различия в строении есть между клетками-прокариотами и клетками организмов-эукариотов, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки». Надмолекулярные структуры на этом уровне формируют мембранные системы и органеллы клеток (ядра, митохондрии и др.).

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам. Например, у клеток эукариотов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы).

Мембранные структуры являются «ареной» важнейших жизненных процессов, причем двухслойное строение мембранной системы значительно увеличивает площадь «арены». Кроме того, мембранные структуры обеспечивают отделение клеток от окружающей среды, а также пространственное разделение в клетках многих биологических молекул. Мембрана клеток обладает высокоизбирательной проницаемостью. Поэтому их физическое состояние позволяет постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Помимо мембран общего назначения в клетках существуют внутренние мембраны, которые ограничивают клеточные органеллы.

Регулируя обмен между клеткой и средой, мембраны обладают рецепторами, которые воспринимают внешние стимулы. В частности, примерами восприятия внешних стимулов являются восприятие света, движение бактерий к источнику пищи, ответ клеток-мишеней на гормоны, например, на инсулин. Некоторые из мембран одновременно сами генерируют сигналы (химические и электрические)."Замечательной особенностью мембран является то, что на них происходит превращение энергии. В частности, на внутренних мембранах хлоропластов происходит фотосинтез, тогда как на внутренних мембранах митохондрии осуществляется окислительное фосфорилирование.

Компоненты мембран находятся в движении. Построенным главным образом из белков и липидов, мембранам присущи различные перестройки, что определяет раздражимость клеток - важнейшее свойство живого.

Тканевой уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточ-ностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток. У животных различают несколько типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь и лимфа). У растений различают меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень . Представлен органами организмов. У простейших пищеварение, дыхание, циркуляция веществ, выделение, передвижение и размножение осуществляются за счет различных орга-нелл. У более совершенных организмов имеются системы органов. У растений и животных органы формируются за счет разного количества тканей. Для позвоночных характерна цефализация, защищающаяся в сосредоточении важнейших центров и органов чувств в голове.

Организменный уровень . Этот уровень представлен самими организмами - одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы. Специфическая особенность орга-низменного уровня заключается в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональных особенностей, присущих организмам данного вида. Организмы уникальны в природе, потому что уникален их генетический материал, детерминирующий развитие, функции и взаимоотношение их с окружающей средой.

Популяционный уровень . Растения и животные не существуют изолированно; они объединены в популяции. Создавая надорганиз-менную систему, популяции характеризуются определенным генофондом и определенным местом обитания. В популяциях начинаются и элементарные эволюционные преобразования, происходит выработка адаптивной формы.

Видовой уровень. Этот уровень определяется видами растений, животных и микроорганизмов, существующими в природе в качестве живых звеньев. Популяционный состав видов чрезвычайно разнообразен. В составе одного вида может быть от одной до многих тысяч популяций, представители которых характеризуются самым различным местообитанием и занимают разные экологические ниши. Виды представляют собой результат эволюции и характеризуются сменяемостью. Ныне существующие виды не похожи на виды, существовавшие в прошлом. Вид является также единицей классификации живых существ.

Биоценотический уровень. Представлен биоценозами - сообществами организмов разной видовой принадлежности. В таких сообществах организмы разных видов в той или иной мере зависят один от другого. В ходе исторического развития сложились биогеоценозы (экосистемы), которые представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды. Экосистемам присуще динамическое (подвижное) равновесие между организмами и абиотическими факторами. На этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Биосферный (глобальный) уровень. Этот уровень является высшей формой организации живого (живых систем). Он представлен биосферой. На этом уровне осуществляется объединение всех вещественно-энергетических круговоротов в единый гигантский биосферный круговорот веществ и энергии.

Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство, живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т. е. связан с появлением нового качества.

Вопросы для обсуждения

1. В чем заключается всеобщий методологический подход к пониманию сущности жизни? Когда он возник и в связи с чем?

2. Можно ли определить сущность жизни? Если да, то в чем заключается это определение и каковы его научные обоснования?

3. Возможна ли постановка вопроса о субстрате жизни?

4. Назовите свойства живого. Укажите, какие из этих свойств характерны для неживого и какие только для живого.

5. Какое значение для биологии имеет подразделение живого на уровни организации? Имеет ли такое подразделение практическое значение?

6. Какими общими чертами характеризуются разные уровни организации живого?

7. Почему нуклеопротеиды считают субстратом жизни и при каких условиях они выполняют эту роль?

Литература

Верная Д. Возникновение жизни М.: Мир. 1969. 391 стр.

Опарин А. В. Материя, жизнь, интеллект. М.: Наука. 1977. 204 стр

Пехов А. П. Биология и научно-технический прогресс. М.: Знание. 1984. 64 стр.

Karcher S. J. Molecular Biology. Acad. Press. 1995. 273 pp.

Murphy M. P., O"Neill L. A. (Eds.) What is Life? The Next Fifty Years. Cambridge University Press. 1995. 203 pp.

1.2. Уровни организации живой системы

Организм человека сложная саморегулирующаяся система взаимосвязанных между собой структурных элементов, объединенных
в несколько уровней организации. Различают следующие уровни: клеточный, тканевый, органный, системный и организменный.
Между собой эти уровни организации находятся в иерархических (соподчиненных) отношениях.

1. Клеточный уровень. Клетка – структурно-функциональная единица живого организма. Она является биологической системой и для нее характерны обмен веществ, рост, развитие и размножение.

2. Тканевый уровень. Совокупность клеток, имеющая общее происхождение, сходное строение и выполняющая одинаковые функции образует ткань. Различают четыре основных типа ткани:
эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Каждая ткань имеет специфические особенности строения и выполняет определенные функции.

· Эпителиальные ткани – это пограничные ткани, покрывающие снаружи органы и выстилающие изнутри полости внутренних органов и образующие железы внешней и внутренней секреции. Эти ткани выполняют защитную, всасывательную (эпителий кишечника), секреторную функции.

· Соединительные ткани, включающие несколько разновидностей: собственно соединительные ткани (волокнистые,
ткани со специальными свойствами – жировая, ретикулярная, слизистая и пигментная ткань), скелетные ткани (хрящевая, костная). К соединительным тканям также относятся кровь и лимфа (жидкая соединительная ткань). Основные функции видов соединительной ткани – опорная, трофическая (питательная), защитная, поддержание постоянства внутренней среды организма (гомеостаза).

· Мышечные ткани (поперечно-полосатые скелетные, поперечно-полосатая сердечная и гладкие мышцы) обеспечивают сокращение мышц и двигательные реакции человека: перемещение тела или его отдельных частей в пространстве, ритмическую деятельность миокарда, передвижение крови по сосудам (гемоциркуляцию), пищи – по пищеварительному тракту и др.

· Нервная ткань обеспечивает восприятие раздражений
из внешней и внутренней среды организма, проведение нервных импульсов в центральную нервную систему (ЦНС), где в ее высших отделах происходит анализ и синтез полученной информации, и осуществление быстрых ответных адаптивных реакций. Нервная система регулирует деятельностьотдельных органов и организма в целом.

Слои ткани, которые покрывают, выстилают и разделяют внутренние органы называются оболочками. В организме человека различают следующие основные типы оболочек:

1. Слизистые оболочки обычно выстилают внутреннюю поверхность полых органов. Они включают три слоя тканей: эпителиальную (с секреторными клетками, выделяющими слизь), рыхлую соединительную с железами и лимфоидными образованиями и гладкую мышечную.

2. Синовиальные оболочки покрывают поверхности суставов и сухожилий. Они образованы соединительной тканью и выстланы эндотелием.

3. Серозные оболочки окружают наружную поверхность всех внутренних органов. Они образованы соединительно тканной мембраной, покрытой эпителиальным слоем.

4. Мозговые оболочки (твердая, паутинная, мягкая) покрывают головной и спинной мозг. Они образованы соединительной тканью.

3. Органный уровень. Несколько тканей, объединяясь в единый комплекс, образуют орган, но какая-то из тканей в нем преобладает и определяет его главную функцию. Органы занимают определенное положение в теле, имеют определенное строение и форму и выполняют определенную функцию, необходимую для существования целостного организма.

4. Системный уровень. Несколько органов, совместно выполняющих определенную функцию, образуют физиологическую систему (сердечнососудистая, дыхательная, пищеварительная, нервная
и др. системы). Среди всех физиологических систем организма особое место занимает нервная система, потому что она регулирует и согласует между собой деятельность всех систем, обеспечивает приспособление организма к меняющимся условиям среды.

5. Организменный уровень. Живой организм, состоящий из отдельных клеток, тканей, органов, систем представляет собой единое целое («систему систем» по И. П. Павлову), в котором деятельность всех этих структур строго согласована, подчинена единому целому и обеспечивает нормальную жизнедеятельность
в условиях непрерывно изменяющейся внешней среды.

Системы органов в организме функционируют не изолированно друг от друга, а в определенный период объединяются между собой для достижения полезного организму результата. Такое временное объединение органов и систем, принадлежащих к различным физиологическим системам, П. К. Анохин (академик, нейрофизиолог)
назвал функциональной системой .