Биологические системы и их основные свойства

3.3. Наследственность  и изменчивость

                 Наследственность и изменчивость  одновременно обеспечивают хранение, использование и передачу биологической  информации, а также необходимый  уровень ее неоднородности (разнообразия).

                Способность к самоорганизации и саморазвитию - формирование целостных организмов на основе реализации собственной наследственной информации и самоупорядочение составляющих их элементов и подсистем. Для поддержания высокого уровня упорядоченности элементов системы необходим постоянный приток веществ и энергии из окружающей среды [6]

3.4. Раздражимость

                Раздражимостью называется способность организмов отвечать на воздействия окружающей среды той или иной активной реакцией.

                Раздражимость — общее свойство всех живых организмов. В ходе эволюции раздражимость видоизменялась. Происходило разделение внутриклеточных структур на воспринимающие воздействия раздражителя и отвечающие на них, наметилось разграничение процессов раздражения как местной реакции и возбуждения как распространяющейся реакции в ответ на действие раздражителя.

               У многоклеточных животных развились специализированные ткани: нервная и мышечная, которые приспособились к осуществлению срочных реакций на раздражение. Способность нервной и мышечной ткани быстро реагировать на раздражение возбуждением называют возбудимостью.

                 Раздражимость у растений существенно отличается от раздражимости у животных. Растения отвечают на раздражение в основном изменением скорости или направления роста, вращательным движением цитоплазмы в клетке и уровнем обменных процессов. Но существуют и такие растения, которые обладают относительно быстрыми двигательными реакциями на раздражения. Так, тропическое растение мимоза стыдливая при прикосновении, ударе, а также с наступлением темноты попарно складывает листочки, а затем весь лист опускается.

3.5. Возбудимость

                   Возбудимость — одно из важнейших свойств живых организмов, их способность реагировать на действие раздражителей путем повышения физиологической активности.

                  В основе этого свойства лежит чувствительность клеточных мембран, приводящая к изменению их проницаемости и, как следствие, к изменению градиента концентрации веществ и мембранного потенциала.

                Возбудимость в той или иной мере присуща всем живым организмам, но особенно ярко она проявляется у обладателей высокоразвитой нервной системы, которая позволяет организму наиболее полно перерабатывать информацию, поступающую из окружающего мира и адекватно на нее реагировать.

3.6. Адаптация

                  Адаптация — процесс приспособления организмов к определенным условиям внешней среды; совокупность особенностей строения, обмена веществ, поведения, общественной организации (популяционной структуры) особей данного вида, позволяющих ему существовать в конкретной экологической среде.

                В основе адаптаций могут лежать как мутации, так и модификации. Различают общие адаптации — приспособления в широком смысле, свойственные крупным систематическим группам, например обтекаемая форма тела у рыб, и частные — приспособления к специфическим условиям обитания, например разный размер листовой пластинки у растений, растущих в тени и на свету.

3.7. Способность к самовоспроизведению

                 Размножение – самая характерная особенность живых систем, которую можно было бы рассматривать как «сущность жизни», то это способность к самовоспроизведению, к продолжению своего вида.

                  Даже мельчайшие вирусы, быть может не обладающие ни одним из других свойств живых организмов, способны воспроизводить себя, пусть с помощью клетки-хозяина.

                 На молекулярном уровне процесс репродукции связан с уникальной способностью нуклеиновых кислот к самоудвоению, в основе которой лежит специфичность сравнительно слабых водородных связей между парами нуклеотидов. На уровне целого организма воспроизведение принимает весьма различные формы — от простого деления клеток у бактерий и других одноклеточных организмов (процесс, еще совсем не связанный с полом) до полового размножения высших растений и животных, неимоверно сложного в структурном, функциональном и поведенческом аспектах.

                 У высших животных размножение не сводится к одним лишь генетическим процессам — к передаче генетической информации от одного поколения к другому; оно связано также с эндокринной регуляцией овогенеза, овуляции и сперматогенеза; со сложными формами поведения, обеспечивающими одновременное выделение мужских и женских гамет и их встречу, которая ведет к образованию оплодотворенного яйца, или зиготы, и, наконец, со сложнейшей цепью процессов развития и дифференцировки, в результате которых зигота превращается во взрослый организм.

                 Для сохранения каждого вида растений или животных необходимо, чтобы отдельные его представители размножались, производя новых особей для замены тех, которые погибли от хищников, паразитов или от старости.

                Процессы размножения у разных животных чрезвычайно разнообразны, хотя в общем существует два основных типа размножения: бесполое и половое.

               В бесполом размножении участвует только одна родительская особь, которая делится или почкуется, образуя две или большее число новых особей, идентичных по своим наследственным признакам родительской особи. Даже у высших животных встречается бесполое размножение; образование у человека однояйцовых близнецов при разделении одной оплодотворенной яйцеклетки — это тоже своего рода бесполое размножение.

                В половом размножении всегда участвуют две особи; каждая из них дает специализированную клетку — гамету (яйцо или сперматозоид), которые сливаются друг с другом, образуя зиготу, или оплодотворенное яйцо. Яйцо чаще всего представляет собой крупную неподвижную клетку, содержащую запас питательных веществ, которыми оно обеспечивает развивающийся организм, пока он не начнет получать пищу каким-нибудь иным способом. Сперматозоиды — это обычно очень мелкие клетки, снабженные длинным бичевидным хвостом, который позволяет им активно двигаться, приближаясь к яйцу.

                Биологическое преимущество полового размножения состоит в том, что при этом возможна перекомбинация лучших наследственных признаков обоих родителей, в результате чего потомство может оказаться более жизнеспособным, чем каждый из родителей. При половом размножении эволюция протекает значительно быстрее и эффективнее, чем при бесполом.

 

4. Основные уровни иерархии биологических систем

           Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц — организмов, или особей.

              С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой — сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

               На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный — клеточным, тканевым уровнями и т.д.

                Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный. Рассмотрим каждый из этих уровней.

4.1. Молекулярно-генетический  уровень

                 Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

                 Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

                 Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

4.2. Клеточный уровень

                 На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

               Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

                Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

                 По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

                  Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

                  Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ  из окружающей среды в клетку  и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной  структурой;

3) клеточного ядра, в котором  содержится генетическая информация.

              Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на два вида:

1) автотрофные организмы  — организмы, не нуждающиеся  в органической пище, которые  могут осуществлять жизнедеятельность  за счет ассимиляции углекислоты  (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят  необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы  — это все организмы, которые  не могут обходиться без органической  пищи.

                 Позднее были уточнен такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П. К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.