Уровни организации жизненных явлений и их особенности

Уровни организации жизненных явлений

Общая информация об уровнях организации и изучения жизненных явлений

Наша природа характеризуется сложным, иерархическим соотношением уровней организации. Окружающая среда и органический мир создают биосферу, состоящую из биогеоценозов (то есть, экосистем), которые представляют собой территории с характерными природными условиями, а также определенными растительными и животными комплексами (биоценозами). Биоценозы образуются при помощи популяций — групп растений и животных одного вида, проживающих на определенной территории и способных к произведению. В популяции входят конкретные виды (особи), у которых есть возможность свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство.

Многоклеточные организмы имеют органы и ткани, образованные с помощью клеток. Одноклеточные организмы и клетки образованы при помощи внутриклеточных структур, состоящих из молекул.

Все это позволило выделить несколько уровней организации живой природы. Каждый из них имеет свои особенности, связанные с конкретными принципами организации, а также особенностями взаимоотношения с другими уровнями.

Задача общей биологии — изучить основные закономерности жизненных явлений, происходящих на всех уровнях организации живых организмов. Начинать рассматривать организацию живой материи стоит с уточнения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, а две и более ткани образуют орган. Для многоклеточного организма характерно сложное строение: оно включает ткани и органы. При этом, многоклеточный организм считается элементарной единицей биологического вида.

За каждым уровнем организации организмов закреплены соответствующие биологические отрасли.

Молекулярный уровень организации

Какой уровень организации живого служит основой для других уровней? Ответ — молекулярный.

Определение любой живой системы, даже сложно устроенной, происходит на уровне функционирования биологических макромолекул — биополимеров. За ними скрываются нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, а также прочие не менее важные органические вещества.

Именно молекулярный уровень организации жизни является началом важных процессов жизнедеятельности организмов, вроде обмена веществ и превращения энергии, передачи наследственной информации и др.

Для изучения физико-химических процессов, которые происходят в живом организме, есть множество биологических наук. Синтез, разложение и взаимное преобразование белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов и прочих веществ в клетке, обмен веществ, энергии и информации, регулирующие перечисленные в начале процессы — это объект и предмет исследования молекулярной биологии, физиологии, молекулярной генетики, биохимии, цитохимии, некоторые разделы вирусологии и микробиологии.

В результате исследований живых систем было установлено, что они включают низко- и высокомолекулярные органические соединения: в неживой природе их почти нельзя обнаружить. Живым организмам наиболее характерны следующие биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, липиды (жироподобные соединения), полисахариды, а также составляющие их молекул: аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, моносахариды.

Кроме того, на молекулярном уровне в биологии изучают синтез, распад и взаимные преобразования этих соединений в клетках, обмен веществ, энергии и информации, регуляция этих процессов.

Как показали исследования, наиважнейшей особенностью основных путей обмена является действие биологических катализаторов — ферментов или соединений белковой природы. Для них характерно избирательное влияние на скорость химических реакций. Изучены также, как устроены некоторые аминокислоты, некоторые белки и некоторые простые органические соединения.

Ученые выяснили, что освобождаемая в процессе биологического окисления (гликолиза, дыхания) химическая энергия запасается как богатые на энергию соединения. В основном это аденозинфосфорные кислоты АТФ, АДФ и другие. Далее они используются в процессах, нуждающихся в поступлении энергии: мышечных сокращениях, синтезе и транспорте веществ.

Больше открытие в этом плане — генетический код. Было установлено, что наследственность, закодированная в ДНК, осуществляет контроль структурных белков и всех основных свойств клеток и организма в целом посредством белков-ферментов.

Исследования, проводимые на молекулярном уровне, нуждаются в выделении и изучении всех видов молекул, которые входят в состав клетки, а также в раскрытии их взаимосвязи друг с другом.

На молекулярном уровне применяются следующие методы исследования:

• электрофорез. Он используется для того чтобы разделить макромолекулы (в основе метода — различия макромолекул в зарядах);
• ультрацентрифугирование. Он применяется для разделения макромолекул, беря за основу их различия в плотности и размерах;
• хроматография. Его используют для разделения макромолекул на основании их различия в адсорбционных свойствах;
• рентгеноструктурный анализ. Его задача — изучать взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах;
• радиоизотопы. Метод базируется на исследовании путей превращения веществ, скорости их синтеза и распада;
• искусственное моделирование систем из выделенных клеточных элементов. Здесь воспроизводят протекающие в клетке процессы. Биохимические процессы в клетке осуществляются не в однородной смеси веществ, а на определенных клеточных структурах.

Клеточный уровень организации

На клеточном уровне изучают строение клетки и внутренних клеточных компонентов, связи и отношения между клетками в тканях и органах организма. Занимаются этим такие биологические науки как цитология, гистология, а также их отделы (кариология, цито- и гистохимия, цитофизиология и цитогенетика), определенные разделы физиологии, вирусологии и микробиологии.

В природе не существует свободноживущих неклеточных форм.

Есть одноклеточные организмы вроде водорослей, бактерий, грибов, простейших. Клетка также выступает единицей развития всех живых организмов, существующих на нашей планете. Свойства клетки определяются ее компонентами, за которыми закреплены определенные функции.

Совокупность клеток одного типа образуют ткань, а сочетание нескольких тканей — орган, выполняющий в организме определенную функцию.

Исследования на клеточном уровне позволили изучить основные компоненты клетки, строение клеток и тканей, а также их изменения в процессе развития.

На клеточном уровне существуют следующие методы исследования:

• микроскопия. С помощью светового микроскопа можно увидеть объекты до 1мкм;
• цветные гистохимические реакции. С их помощью выявляют расположение в клетке различных химических веществ и ферментов;
• авторадиография. С ее помощью определяют места синтеза макромолекул в клетке;
• электронная микроскопия. Позволяет различать структуры вплоть до макромолекул. Тем не менее описание их строения нередко затруднено из-за недостаточной контрастности изображения;
• центрифугирование. Дает возможность изучать функции внутриклеточных компонентов. Они выделяются из разрушенных или гомогенезированных клеток;
• культура тканей. Метод базируется на изучении свойств клеток;
• микрохирургия. В основе метода — обмен ядрами между клетками, слияние или гибридизация клеток.

Также еще выделяют субклеточный уровень организации живого.

Тканевый уровень

Один из важнейших уровней организации человека, животных и растений — тканевый. Ткань представляет собой совокупность схожих по строению клеток, которых объединяет общая функция. Тело разнообразных клеточных организмов состоит из сотни различных клеток. Все клетки животных образуют 4 вида тканей:

1. Нервную.
2. Соединительную.
3. Эпителиальную.
4. Мышечную.

Для растений характерно наличие образующей и постоянной ткани (покровные, проводящие, механические и основная ткань).

Органный уровень

Под органами также понимают структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Образование органов связано с процессом развития различных тканей из клеток.

Группы органов функционируют как одно целое для того чтобы выполнить общую для организма функцию.

У людей выделяют следующие системы органов:

• дыхательная;
• пищеварительная;
• сердечно сосудистая;
• секреторная;
• нервная;
• репродуктивная;
• выделительная;
• мышечная;
• эндокринная;
• скелетная;
• система покровных тканей.

За каждым отдельным органом системы закреплена своя функция. Тем не менее вместе они работаю как одно целое, обеспечивая максимальную эффективность всей системы.

Системы органов взаимосвязаны друг с другом, регулируются нервной и эндокринной системами. Нарушение функционирования какого-либо органа может стать причиной патологии всей системы, а иногда и организма.

Организменный уровень

Организменный уровень организации живого изучают такие науки и дисциплины как физиология (растений, животных и высшей нервной деятельности), эмбриология, экспериментальная морфология, эндокринология, иммунология и другие биологические отрасли. Эти науки интересуют процессы и явления, которые происходят в особи, а также согласованное функционирование ее органов и систем.

Исследования, которые проводятся на организменном уровне, нацелены на раскрытие причинных механизмов становления биологической организации, ее дифференцировки и интеграции, а также реализации генетической информации в онтогенезе. Ученые изучают механизмы работы органов и систем органов, их роль в жизнедеятельности организма, взаимовлияние органов, нервную и гуморальную регуляцию их функций, животное поведение и приспособительные изменения.

На организменном уровне организации применяются следующие методы:

• электрофизиологические. Их задача — отвести, усилить и зафиксировать биоэлектрические потенциалы;
• биохимические. С помощью этих методов на организменном уровне организации жизни изучают эндокринную регуляцию: выделение и очистку гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов;
• кибернетические. Исследуются ВНД человека и животных при помощи моделирования;
• экспериментальные. Заключаются в выработке условных рефлексов и постановке задач.

Популяционно-видовой уровень

Популяция как элементарная единица эволюционного процесса изучается отдельными отраслями биологии, такими как морфология, физиология, генетика и экология.

Процесс изучения состава и динамики популяции тесно связан с молекулярным, клеточным и организменным уровнями.

Что касается методов исследования на этом уровне, то это те методы наук, которые изучают четко поставленные на этом уровне вопросы. Среди них:

• генетические. Они изучают характер распределения наследственных особенностей в популяциях;
• морфологические;
• физиологические;
• экологические.

Популяции и вид как целое — объект исследования различных биологических отраслей.

Биосферный уровень организации жизни

Процессы, происходящие в биогеоценозах (экосистемах) — элементарных структурных и функциональных единицах — изучают такие отрасли биологии как биогеоценология, экология, биохимия и др.

На биосферном уровне организации ученые проводят комплексные исследования, которые затрагивают взаимоотношения биотических и абиотических элементов, входящих в состав биогеоценоза. Также биогеоценотический уровень — это изучение движения живого вещества в биосфере, а также пути и закономерности протекания кругооборотов энергии. С помощью такого подхода есть возможность предсказать последствия хозяйственной деятельности человека, координировать усилия биологов многих стран в рамках международной программы «Человек и биосфера».

Биосферный уровень организации организма человека и живого в целом важен потому, что биогеоценоз — это среда, в которой осуществляются любые жизненные процессы на планете.

Какое практическое значение имеет изучение уровней организации живой материи? В частности, крайне важно понимать и изучать биологическую продуктивность биогеоценозов: утилизацию энергии солнечной радиации путем фотосинтеза и использования энергии, запасенной автотрофами, гетеротрофными организмами.