Общая характеристика живых систем
Лекция 9. Особенности биологического уровня организации материи
План лекции:
1.Общая характеристика живых систем.
2.Молекулярно-генетический уровень организации биологических систем.
3.Клеточный уровень организации жизни.
4.Онтогенетический уровень организации биологических систем.
5.Популяционно-видовой уровень.
6.Биоценотический уровень.
7.Биосферный уровень.
8.Развитие представлений о биологической эволюции.
9.Основные этапы эволюции жизни.
Живые объекты с точки зрения системных представлений. Природа жизни, разнообразие живых организмов, объединяющее их структурное и функциональное сходство всегда привлекали и привлекают пристальное внимание исследователей. С точки зрения системного подхода следует подчеркнуть, что живые системы на Земле – это открытые саморегулирующиеся, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот(М.В. Волькенштейн). Им присущи закономерности развития, характерные для других сложных систем. Однако жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности, а также динамики протекающих в живых организмах процессов. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем пространственно-временной структурной и функциональной упорядоченности. Которая обеспечивает структурную компактность и энергетическую экономичность всего живого. Такая упорядоченность возможна только в макроскопической системе (наименьшая бактерия содержит около 109 атомов), иначе порядок разрушился бы флуктуациями, обусловленные тепловым движением.
Являясь открытыми системами, живые организмы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. При этом, в отличие от неживых систем, живым организмам присуща способность активно поддерживать упорядочение, противодействовать возрастанию энтропии внутри себя.Однако снижение энтропии в живых организмах возможно только за счет повышения энтропии в окружающей среде (в соответствии со вторым началом термодинамики для открытых систем). «Всеобщая борьба за существование живых организмов, не является борьбой за составные элементы - составные элементы всех организмов имеются налицо в избытке в воздухе, воде и недрах Земли - и не за энергию, ибо таковая содержится в изобилии во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты. Но это - борьба за энтропию, которую можно использовать при переходе энергии с горячего Солнца к холодной земле» (Л.Больцман).
Все живые (биологические) системы разных уровней – организмы, популяции и т.д. – существуют в тесной взаимосвязи, обмениваясь веществом, энергией. Это позволяет рассматривать все живые системы и среду их обитания как одну масштабную разнородную систему – биосферу. Жизнь присуща только биосфере, вне ее – не существует.
Свойства живых объектов. Для решения вопроса о природе жизни, ее происхождении и эволюции на Земле целесообразно выделить основные отличительные свойства живых организмов. Следует отметить, что общепринятого определения фундаментального понятия «жизнь» сегодня нет. Однако имеют место характерные свойства, совокупность которых позволяет отличить живые организмы от объектов неживой материи:
обмен веществом и энергией: живая система постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей средой;
дискретность и целостность: живые объекты относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды), в то же время сложная организация немыслима без взаимодействия ее частей и структур – без целостности;
структурность: на всех уровнях организации живые системы образуют упорядоченные структуры;
единство химического состава: оно проявляется как на уровне химических элементов, так и на молекулярном уровне;
подвижность;
раздражимость;
рост и развитие: избыточное самовоспроизведение лежит в основе роста клеток, и организмов;
размножение и воспроизведение себе подобных;
наследственность и изменчивость;
адаптация: способность живых организмов приспосабливаться к внешним условиям, ассимилировать полученные извне вещества.
Еще раз подчеркнем, что весь комплекс этих свойств присущ живому объекту
Химическая основа жизни. В состав живой клетки входят такие же элементы, какие имеются в неживой природе. Однако ряд из них выполняют важные биологические функции. Эти элементы называются биогенными: C, H, O, N, P, S. В частности, четыре из них -C, H, O, N – составляют 96% субстрата организма человека. C, H, O - находятся в составе всех биополимеров, N, S- добавляются к ним в составе белков; N, P- в составе нуклеиновых кислот. Имеются и другие элементы, входящие в состав тех или иных организмов: Fe – в составе гемоглобина, Mg – в составе хлорофилла, Сu – в составе некоторых ферментов; I- в составе тироксина- гормона щитовидной железы; Na, K – обеспечивают проводимость импульсов в нервных волокнах; Zn – в составе инсулина, Co – в составе витамина В12. По процентному составу в порядке его убывания элементы образуют последовательность: O, C, H, N, Ca, K, Mg, P, S, Cl, Na, Fe ,Zn, Сu, I, F,Co.
Важнейшим компонентом жизни является вода H2 O. Но все основные свойства жизни определяются органическими соединениями: белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами.
Уровни организации живой материи. Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны. Живые организмы представлены доядерными (прокариоты) и ядерными (эукариоты), одно- и многоклеточными существами. Описание разнообразных многоклеточных осуществляется на основе систематики, использующей таксоны – иерархически связанные множества. Самые масштабные таксоны - три царства: растения, грибы, животные. Эти царства объединяет разнообразные типы, классы, отряды, семейства, роды, виды, популяции и индивидуумы. Иерархическая организованность, свойственная различным сложным системам, прослеживается для живых систем. На ряду с таксономической систематикой, в настоящее время принято выделять следующие уровни организации живого:молекулярно-генетический, клеточный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогеоценотический (экосистемный), биосферный.Понимание этого предполагает отказ от концепцииредукцианизма,в соответствии с которой все высшее сводимо к низшему (процессы жизнедеятельности – к совокупности физико-химических реакций, а целостный организм – к взаимодействию составляющих его клеток, тканей, органов и т.д.). В многоуровневой иерархической системе ниже лежащий уровень входит в более высокий как единое целое. Каждый новый уровень возникает из предыдущего посредством процессов объединения и организации его единиц (элементов) в единую систему. При этом каждый уровень является структурно и функционально автономной системой.