Предмет биологии. Сущность, свойства и уровни организации живого

Предмет биологии. Сущность, свойства и уровни организации живого.

План:

1. Предмет, задачи, структура биологии.

2. Жизнь как особая форма материи. Свойства живого.

3. Уровни организации живой материи.

1. Предмет, задачи, структура биологии.

Биология (от греч. bios — жизнь, logos — наука) — наука о жизни, об общих закономерностях существования и развития живых существ. Или иными словами, биологией называется наука, занимающаяся изучением жизни во всех ее проявлениях, а также свойств живого вообще.

Предметом изучения биологии являются живые организмы, их строение, функции, развитие, взаимоотношения со средой и происхождение. Подобно физике и химии она относится к естественным наукам, предметом изучения которых является природа.

Биология — одна из старейших естественных наук, хотя сам термин «биология» для ее обозначения впервые был предложен лишь в 1797 г. немецким профессором анатомии Теодором Рузом (1771-1803), после чего этот термин использовали в 1800 г. профессор Дерптского университета (ныне г. Тарту) К. Бурдах (1776-1847), а в 1802 г. Ж.-Б. Ламарк (1744-1829) и Л. Тревиранус (1779-1864).

Биология — естественная наука. Как и другие науки, она возникла и всегда развивалась в связи с желанием человека познать окружающий его мир, а также в связи с материальными условиями жизни общества, развитием общественного производства, медицины, практическими потребностями людей.

Классификация биологических наук. Многообразие живой природы так велико, что правильнее говорить о биологии как о комплексе знаний или как о комплексной науке.

Биология стала в наше время такой в результате дифференциации и интеграции разных биологических наук. В рамках этой системы, дисциплины можно разделить по различным направлениям исследований, а именно:

1. Изучение систематических групп (классификация в зависимости от объекта изучения). Самыми старыми биологическими науками являются зоология и ботаника, изучающие животных и растения соответственно. Однако в процессе дифференциации зоология, ботаника и микробиология разделились на ряд самостоятельных наук. В результате в настоящее время изучением систематических групп занимаются такие разделы как:

• вирусология — наука о вирусах;
• микробиология — наука, занимающаяся изучением микроорганизмов;
• микология — наука о грибах;
• ботаника (или фитология) — наука о растениях;
• зоология — наука о животных;
• антропология — наука о человеке.

При этом каждая из дисциплин делится на ряд более узких направлений в зависимости от объекта исследований (рис. 1). Например, зоология объединяет такие науки, как: протозоология — наука о простейших (одноклеточных) животных, малакология — наука о моллюсках, энтомология — наука о насекомых, териология — наука о млекопитающих, и др. В ботанике в самостоятельные науки выделились дендрология (наука о деревьях и кустарниках), птеридология (наука о папоротниках), альгология (наука о водорослях), бриология (наука о мхах), биогеоботаника (наука о распространении растений) и другие науки. Микробиология разделилась на бактериологию, вирусологию и иммунологию.

Рис. 1. Схема биологических наук

2. Изучение различных сторон жизнедеятельности живых организмов. В зоологии, микробиологии и ботанике выделяются науки, изучающие отдельные стороны жизни данных организмов.

• систематика - изучает систематику и родство разных групп организмов,
• морфология - исследует внешнее строение органов организмов и их видоизменения,
• анатомия - изучает внутреннее строение организмов,
• физиология - изучает процессы, протекающие в организмах,
• экология - изучает взаимоотношения организмов со средой и другими организмами и др.
• генетика - наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими

3. Изучение разных уровней живой материи. По уровню изучения живой материи различают:

• молекулярную биологию – наука, исследующая общие свойства и проявления жизни на молекулярном уровне
• цитологию или учение о клетке (от греч. «цитос» – клетка), изучает клеточный уровень
• гистологию или учение о тканях (от греч. «гистос» – ткань), изучает тканевый уровень
• анатомию, морфологию и физиологию – науку о строении органов, изучает уровень органа и организма
• экологию – биологию групп организмов (популяций, видов и т. д. )

4. Отдельно можно выделить науки о развитии живой материи. Сюда обычно относят биологию индивидуального развития организмов, включающую

• эмбриологию (наука о предзародышевом развитии, оплодотворении, зародышевом и личиночном развитии организмов), а также
• теорию эволюции или эволюционное учение (комплекс знаний об историческом развитии живой природы).

5. Изучением коллективной жизни и сообществ живых организмов занимаются:

• этология — наука о поведении животных,
• экология (в общем смысле) — наука об отношениях различных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.

Как самостоятельные разделы экологии рассматривают: биоценологию — науку о сообществах живых организмов, популяционную биологию — отрасль знаний, изучающую структуру и свойства популяций, и др. Биогеография занимается изучением общих вопросов географического распространения живых организмов.

Естественно, такая классификация биологических наук в значительной степени условна и не дает представления обо всем многообразии биологических дисциплин.

Отдельные биологические науки имеют комплексное значение. Например, комплексной наукой стала генетика, предметом изучения которой являются наследственность и изменчивость организмов. В наше время комплексной наукой стала экология, изучающая взаимоотношения организмов между собой и со средой.

В биологии одновременно с дифференциацией шел процесс возникновения и оформления новых наук, которые расчленялись на более узкие науки. Например, генетика, возникнув в качестве самостоятельной науки, разделилась на общую и молекулярную, на генетику растений, животных и микроорганизмов. В то же время возникли генетика пола, генетика поведения, популяционная генетика, эволюционная генетика и т. д. В недрах физиологии возникли сравнительная и эволюционная физиология, эндокринология и другие физиологические науки.

В последние годы отмечается тенденция оформления узких наук, получающих название по проблеме (объекту) исследования. Такими науками являются энзимология, мембранология, кариология, плазмидология и другие.

В результате интеграции наук возникли биохимия, биофизика, радиобиология, цитогенетика, космическая биология и другие науки.

Ведущее положение в современном комплексе биологических наук занимает физико-химическая биология, новейшие данные которой вносят существенный вклад в представления о научной картине мира, в дальнейшее обоснование материального единства мира.

Методы исследований. Основными методами, используемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.

Описательный метод является самым старым методом и основан на наблюдении организмов. Он заключается в сборе фактического материала и описании его. Возникнув в самом начале биологического познания, этот метод долгое время оставался единственным в изучении организмов. Поэтому старая (традиционная) биология являлась, по существу, описательной наукой. Использование этого метода позволило заложить основы биологических знаний. Достаточно вспомнить насколько успешным оказался этот метод в систематике и в создании науки о систематике организмов. Описательный метод широко используется и в наше время, особенно в зоологии, ботанике, цитологии, экологии и других науках.

Сравнительный метод заключается в сравнении изучаемых организмов, их структур и функций между собой с целью выявления сходств и различий. Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а также сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко был использован в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.

Сравнительный метод широко используют в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод входит в биологию во второй половине XIX в. благодаря Ч. Дарвину, который позволил поставить на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и в пространстве. С введением этого метода в биологии немедленно произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. Благодаря этому методу биология поднялась сразу на несколько ступеней выше. В настоящее время исторический метод вышел, по существу, за рамки метода исследования. Он стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод заключается в активном изучении того или иного явления путем эксперимента. Вопрос об опытном изучении природы, т.е. вопрос об эксперименте был поставлен еще в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших регистрировать и количественно характеризовать приуроченность функций к структуре.

Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который в отличие от своих предшественников использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

Начиная примерно с 40-х годов XX в. экспериментальный метод в биологии подвергся значительному усовершенствованию за счет повышения разрешающей способности многих биологических методик и разработки новых экспериментальных приемов. Например, была очень повышена разрешающая способность генетического анализа, ряда иммунологических методик. В практику исследований были введены культивированные соматические клетки, выделение биохимических мутантов микроорганизмов и соматических клеток и т. д.

Экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии. Например, структура и генетическая роль ДНК были выяснены в результате сочетанного использования химических методов выделения ДНК, химических и физических методов определения ее первичной и вторичной структуры и биологических методов (трансформации и генетического анализа бактерий), доказательства ее роли как генетического материала.

В настоящее время экспериментальный метод характеризуется исключительными возможностями в изучении явлений жизни. Эти возможности определяются использованием микроскопии разных видов, включая электронную с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов, техники оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгене структурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д.

Исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения моделей их функционирования также широко используется в биологии. По существу, на идее моделирования базируется любой метод, однако неизбежным следствием при этом является упрощение рассматриваемого явления или объекта. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне организмов в настоящее время очень развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях, а также математическое моделирование различных биологических процессов.

Значение биологии. Для чего необходимо изучать биологию? В тексте одной из лекций Томаса Гексли есть такие строки: «Для человека, не знакомого с естественной историей, пребывание среди природы подобно посещению художественной галереи, где 90% всех удивительных произведений искусства повернуты лицам к стене. Познакомьте его с основами естественной истории — и вы снабдите его путеводителем к этим шедеврам, достойным быть обращенными к жаждущему знания и красоты человеческому взгляду». Помимо такой познавательной и эстетической стороны биологические знания имеют и чисто практическое применение во многих областях человеческой деятельности.

Прежде всего биологические знания имеют познавательное значение. Однако чрезвычайно велико и их практическое значение.

На основе биологических знаний уже давно в промышленных условиях осуществляется микробиологический синтез многих органических кислот, которые широко используются в народном хозяйстве и медицине. В 40-50-е годы было создано промышленное производство антибиотиков, а в начале 60-х годов — производство аминокислот. Важное место в микробиологической промышленности сейчас занимает производство ферментов. Микробиологическая промышленность производит сейчас в больших количествах витамины и другие вещества. Как аминокислоты и антибиотики, так и витамины крайне необходимы в народном хозяйстве и медицине. На основе трансформирующей способности микроорганизмов основано промышленное производство веществ с фармакологическими свойствами из стероидного сырья растительного происхождения.

Наибольшие успехи в производстве различных веществ, в том числе лекарственных (инсулин, соматостатин, интерферон и др.), связаны с генетической инженерией, составляющей сейчас основу биотехнологии.

Исключительно важное значение биология имеет для сельскохозяйственного производства. Например, теоретической основой селекции растений и животных является генетика. В последние годы в сельскохозяйственное производство также вошла генетическая инженерия. Она открыла новые перспективы в увеличении производства пищи.

Генетическая инженерия оказывает существенное влияние на поиск новых источников энергии, новых путей сохранения окружающей среды, очистки ее от различных загрязнений.

Развитие биотехнологии, теоретическую основу которой составляет биология, а методическую — генетическая инженерия, является новым этапом в развитии материального производства. Появление этой технологии есть один из моментов новейшей революции в производительных силах.

Биологическое познание прямым образом связано с медициной, причем эти связи уходят в далекое прошлое и датируются тем же временем, что и возникновение самой биологии. Больше того, многие выдающиеся медики далекого прошлого были одновременно и выдающимися биологами (Гиппократ, Герофил, Эразистрат, Гален, Авиценна, Мальпиги и другие). Создание в XIX в. клеточной теории заложило подлинно научные основы связи биологии с медициной. В укреплении связей биологии с производством и медициной существенный вклад принадлежит генетике, данные которой имеют важнейшее значение в разработке основ диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней.

В конце концов, и сам человек является живым организмом, поэтому биология является теоретической основой таких наук, как медицина, психология, социология и других.

Как никогда остро сегодня стоят проблемы взаимоотношений человека с окружающей его средой, рационального использования ресурсов и охраны природы. Практика показала, что элементарное незнание законов экологии приводит к тяжелейшим, иногда необратимым последствиям как для самой природы, так и для человека. В будущем, по мере роста численности населения, значение биологии еще более возрастет. Уже сейчас острыми являются проблемы продовольственного обеспечения.

2. Жизнь как особая форма материи. Свойства живого

Определение жизни. Итак, живые организмы являются предметом изучения биологии. И чтобы продолжать разговор о живых организмах, необходимо сформулировать определение понятия «жизнь». Большое внимание проблеме определения понятия жизни и вопросу о критериях, свойствах живого уделяли такие ученые, как Э. Шредингер, A.Н. Колмогоров, Н.С. Шкловский, К. Саган, И. Пригожий. Однако четкого, ясного, всеми (или хотя бы большинством специалистов) принятого определения так и не существует.

Так, например, К. Гробстейн предлагает такую формулировку: «Жизнь — это макромолекулярная система, для которой характерна определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ, тщательно регулируемый поток энергии, являет собой распространяющийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной».

Российский математик А.А. Ляпунов характеризует жизнь как «Высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».

Материалистическое определение жизни дал один из основоположников научного коммунизма Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Это определение дано Энгельсом более 100 лет назад, но не потеряло своей актуальности. В него вошли два важных положения:

1) жизнь тесно связана с белковыми телами, белками.

2) непременное условие жизни — постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается жизнь.

Всеобщим методологическим подходом к пониманию сущности жизни в настоящее время является понимание жизни в качестве процесса, конечным результатом которого является самообновление, проявляющееся в самовоспроизведении. Все живое происходит только из живого, а всякая организация, присущая живому, возникает только из другой подобной организации. Следовательно, можно дать еще одно определение: «Жизнь – это специфичная структура, способная к самовоспроизведению (размножению) и самоподдержанию с затратой энергии». Здесь подчеркиваются другие два важных момента:

1. живые системы способны к самовоспроизведению (репродукции)
2. живым организмам необходима энергия для существования и присуща способность к самоподдержанию.

Сущность жизни заключается в ее самовоспроизведении, в основе которого лежит координация физических и химических явлений и которое обеспечивается передачей генетической информации от поколений к поколениям. Именно эта информация обеспечивает самовоспроизведение и саморегуляцию живых существ. Поэтому жизнь — это качественно особая форма существования материи, связанная с воспроизведением. Жизнь представляют собой особую форму движения материи, высшую по сравнению с физической и химической формой существования, а живые организмы резко отличаются от неживых систем (объектов физики и химии) своей исключительной сложностью и высокой специфичностью, структурной и функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства, вследствие чего живое и представляет собой особую, ступень развития материи.

Свойства живого. Строгого и четкого определения понятия «жизнь» не существует. По этой причине мы не можем с достаточной степенью достоверности говорить о ее природе или происхождении. Однако возможно перечислить и описать те признаки живой материи, которые отличают ее от предметов неживой природы. Разные авторы выделяют от 10 до 12 различных свойств живого.

Рассмотрим наиболее полный перечень общих, характерных для всего живого свойств и их отличий от похожих процессов, протекающих в неживой природе:

1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в неживые объекты, однако их соотношение различно. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д. А в живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента — углерод, кислород, азот и водород, которые являются основными биогенными элементами. Помимо них важны Na, Mg, Cl, P, S, К, Ре, Са и др. Все перечисленные химические элементы участвуют в построении организма в виде ионов, либо в составе тех или иных соединений — молекул неорганических или органических веществ.

2. Обмен веществ (метаболизм). Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее элементы, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. Отметим, что в неживой природе также существует обмен веществами. Однако в неживой природе они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед. В отличие от этого, у живых организмов в круговороте органических веществ осуществляются процессы синтеза и распада.

Как это происходит? Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие ряда химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществам живого организма, из них строится его тело. Эти процессы называются ассимиляцией (ассимиляция – «уподобление», корень здесь тот же, что и в слове «симулянт» – симулянт «уподобляется» больному). Это совокупность процессов синтеза. Например, белок куриного яйца в организме человека претерпевает ряд сложных превращений, прежде чем преобразуется в белки, свойственные организму. Синтез требует энергии, для получения которой организмы расходуют большую часть потребляемой пищи. Она возникает при разложении веществ. Этот процесс разложения называется диссимиляцией (разуподоблением). (подробнее об этом в гл. Метаболизм).

3. Саморегуляция (авторегуляция). Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов, т.е. гомеостаз. Недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает прекращение синтеза этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем — нервной, эндокринной, иммунной и др. В биологических системах надорганизменного уровня саморегуляция осуществляется на основе межорганизменных и межпопуляционных отношений.

4. Самовоспроизведение (репродукция). Это свойство организмов воспроизводить себе подобных. Это свойство является важнейшим среди всех остальных. Положение «все живое происходит только от живого» означает, что жизнь возникла лишь однажды и что с тех пор начало живому дает только живое. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки и молекулы после деления сходны со своими предшественниками. Важнейшее значение самовоспроизведения заключается в том, что оно поддерживает существование видов, определяет специфику биологической формы движения материи. Этот процесс осуществляется практически на всех уровнях организации живой материи:

- на молекулярном уровне происходит самовоспроизведение молекулы ДНК. Из одной молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. Репродукция на молекулярном уровне является основой для всех последующих.

- на субклеточном уровне происходит удвоение пластид, центриолей, митохондрий

- на клеточном уровне – деление клетки

- на тканевом – поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток

- на организменном репродукция проявляется в виде бесполого или полового размножения.

5. Наследственность. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК. Благодаря наследственности сохраняются общие признаки для родственных организмов, организмов одного вида и т.д.

6. Изменчивость. Изменчивость — это генетически обусловленная способность организмов приобретать новые признаки и свойства. Она определяется изменениями в генетических структурах. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы деление молекул ДНК всегда происходило с абсолютной точностью, то при размножении организмы имели бы одни и те же признаки и не могли приспосабливаться к меняющимся условиям среды.

7. Рост и развитие. Способность к развитию — это всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобретением адаптаций (приспособлений), возникновением новых видов. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом. Развитие сопровождается ростом, это направленное закономерное количественное изменение, увеличение размеров организма.

8. Специфичность организации. Она характерна для любых организмов, в результате чего они имеют определенную форму и размеры. Единицей организации (структуры и функции) является клетка. В свою очередь клетки специфически организованы в ткани, последние — в органы, а органы — в системы органов. Организмы не «разбросаны» случайно в пространстве. Они специфически организованы в популяции, а популяции специфически организованы в биоценозы. Последние вместе с абиотическими факторами формируют биогеоценозы (экологические системы), являющиеся элементарными единицами биосферы.

9. Упорядоченность структуры. Для живого характерна не только сложность химических соединений, из которого оно построено, но и упорядоченность их на молекулярном уровне, приводящая к образованию молекулярных и надмолекулярных структур. Создание порядка из беспорядочного движения молекул — это важнейшее свойство живого, проявляющееся на молекулярном уровне. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени. В отличие от неживых объектов упорядоченность структуры живого происходит за счет внешней среды. При этом в среде уровень упорядоченности снижается.

10. Энергозависимость (потребление энергии). Многие неживые объекты имеют сложную структуру, к тому же способны самоподдерживаться, размножаться, расти.

Например, кристаллы. В насыщенном растворе хлорида натрия (поваренной соли) выпадают кристаллы NaCl. По мере испарения раствора они растут, увеличиваются в числе и в размерах. Более того, обломив уголок кристалла и положив его в раствор обратно, мы можем наблюдать, что кристалл «залечит» дефект, обломанный уголок достроится NaCl, выпадающего из раствора. Кроме того, структура кристаллов специфична, зависит от того вещества, из которого они возникают. NaCl кристаллизируется в виде кубов, алмаз — в виде двух четырехгранных пирамидок с общим основанием—октаэдров.

Почему же кристаллы не относятся к живым системам? Отличием живых систем служит особенности в потреблении энергии. Кристаллы — структуры с минимумом свободной энергии. Чтобы разрушить кристалл, переведя его, например, в жидкое состояние, надо затратить энергию. Например, поглощая энергию, разрушается структура кристаллов льда, при этом каждый грамм льда должен получить около 333 кДж. Живые структуры, наоборот, поглощают энергию при росте и развитии (растения — в виде света, животные—потребляя пищу). Так что в энергетическом балансе кристаллы и живые существа — противоположности. Особенно если учесть, что при разрушении живых систем энергия выделяется в виде теплоты, например, при сгорании дров.

Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы, т.е. динамические системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Следовательно, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия и материя в виде пищи из окружающей среды.

Причем в организме свободная энергия увеличивается, а энтропия (хаос), соответственно, понижается, а в окружающей среде свободная энергия, напротив, уменьшается, а энтропия возрастает. По образному выражению известного физика XX в. Э. Шредингера, «организм питается отрицательной энтропией».

11. Ритмичность. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и т.д.). Ритмичность направлена на приспособление к периодически меняющимся условиям среды.

12. Движение. Способностью к движению обладают все живые существа. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительнотканные клетки и др.), а также некоторые клеточные органеллы. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц.

13. Раздражимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей средой: в процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на внешние воздействия. Это свойство носит название раздражимости. Всякое изменение окружающих организм условий среды представляет собой по отношению к нему раздражение, а его реакция на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.

14. Раздражимость. Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия носит название раздражимости. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом.

Организмы, которые не имеют нервной системы, лишены и рефлексов. У таких организмов реакция на раздражение осуществляется в разных формах:

а) таксисы — это направленные движения организма в сторону раздражителя (положительный таксис) или от него (отрицательный). Например, фототаксис — это движение в направлении к свету. Различают также хемотаксис, термотаксис и др.;

б) тропизмы — направленный рост частей растительного организма по отношению к раздражителю (геотропизм — рост корневой системы растения по направлению к центру планеты; гелиотропизм — рост побеговой системы по направлению к Солнцу, против силы тяжести);

в) настии — движения частей растения по отношению к раздражителю (движение листьев в течение светового дня в зависимости от положения Солнца на небосводе или, например, раскрытие и закрытие венчика цветка).

15. Дискретность. Дискретность—всеобщее свойство материи от латинского «дискретус», что означает прерывистый, разделенный. Так, известно, что каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу, простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т.д. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз т.д.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует отдельные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. В фантастических романах порой описывают неземную жизнь в виде единого целого, например живого океана на планете Солярис. Но на Земле жизнь существует в виде отдельных видов, представленных многими особями, индивидуумами. (Индивидуум по-латыни — то же, что и «атом» по-гречески: «неделимый»)

3. Уровни организации живой материи

Принцип дискретности лег в основу представлений об уровнях организации живой материи. Уровень организации — это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей «системе систем» живого. Обычно выделяют следующие уровни:

1. Молекулярный — самый низкий уровень организации живого. Именно на этом уровне в основном проявляются такие процессы жизнедеятельности, как обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации.

2. Клеточный. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого. Вирусы, будучи неклеточной формой организации живого, проявляют свои свойства как живые организмы, только внедрившись в клетки.

3. Тканевой. Ткань — совокупность структурно сходных клеток и связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций.

4. Органный. Под органом понимают часть многоклеточного организма, выполняющую определенную функцию или функции.

5. Организменный. Организм (этот термин можно применять ко всем живым существам — как одноклеточным, так и многоклеточным), — это реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее свойствами. Он происходит от одного зачатка (зиготы, споры, части другого организма) и индивидуально подвержен действию эволюционных и экологических факторов. Процесс формирования организма состоит из дифференцировки его структур (органелл — если это одноклеточный организм; клеток, тканей, органов) в соответствии с выполняемыми ими функциями. Очень удобно использовать этот уровень при рассмотрении взаимодействия живого существа с окружающей его средой.

6. Популяционно-видовой. Популяция представляет собой систему надорганизменного порядка. Под этим понимают совокупность всех особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Популяция обычно имеет сложную структуру и является элементарной единицей эволюции. Вид — это генетически стабильная система, совокупность популяций, особи которых способны в природных условиях к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал).

7. Биоценотический. Биоценоз — совокупность организмов разных видов различной сложности организации, обитающих на какой-то определенной территории. Если в такой территориальной системе учитываются и факторы среды обитания, т. е. неживой компонент, то говорят о биогеоценозе.

8. Биосферный — это самый высокий уровень организации. В данном случае обычно рассматривают все живые организмы и области их существования в планетарном масштабе. Биосфера — это оболочка Земли, которую населяют или когда-либо населяли живые организмы (к ней относятся части атмосферы, литосферы и гидросферы, каким-либо образом связанные с деятельностью живых существ).

Организм построен по принципу иерархии структур, так же как вся живая природа, поэтому на его примере можно рассмотреть все уровни организации (рис. 2).

Рис. 2. Уровни организации живой материи (на примере отдельного организма).

БИОЛОГИЯ

зоология

икробиология

ботаника

протозоология малакология энтомология

териология

бактериология вирусология иммунология

дендрология птеридология альгология бриология биогеоботаника

Предмет биологии. Сущность, свойства и уровни организации живого