Уровни организации живого

Постановка проблемы урока

Факт 1. Каждый организм питается, дышит, избавляется от отходов.

Факт 2. Жизнь организма не была бы возможной, если бы его клетки сами не обеспечивали свои основные нужды.

Факт 3. Несмотря на короткую жизнь организмов, их видовые свойства сохраняются и эволюционируют в популяциях (больших группах совместно обитающих родственных организмов).

Факт 4. Виды изменяют вещества в одном направлении. Они не могут долго существовать без других членов экосистемы, восстанавливающих необходимые вещества.

• Значит, невозможное в одних живых системах становится возможным в других? Какой возникает вопрос? (Сравните с авторским вариантом на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• На каких связях основан любой механизм регуляции? (§ 2)

• В чём сходство и различие рукотворных машин и живых организмов? (§ 2)

Решение проблемы

Организм - самая целостная система

Наша страна входит в различные международные союзы и мировую цивилизацию в целом. В то же время Россия объединяет различные республики, края и области, а они, в свою очередь, - районы, города и т.д. Все эти территориальные единицы образуют иерархию уровней объединения своих жителей. На каждом уровне решаются свои задачи: на международном, например, - охрана Антарктики, а на районном — доставка почты. Но самый главный — уровень государства: здесь и единый язык общения, и охраняемые границы, и законы.

В живой природе центральное место занимает организм как наиболее целостная и независимая система. Его органы, ткани и клетки неотделимы друг от друга. Их взаимозависимость гораздо выше, чем связь между различными особями или их группировками.

• Найдите отрицательные обратные связи, регулирующие работу сердца. Участвуют ли в регуляции сердечной деятельности другие органы и системы органов?

3.1. Регуляция работы сердца.

Целостность организма проявляется в поддержании постоянной благоприятной внутренней среды путём регуляции всех его подсистем. Благодаря наличию центральных органов управления организм сопротивляется внешним воздействиям как единое целое. Это позволяет разделить функции между специализированными органами, которые способны выполнять их с высокой эффективностью. В силу наследования признаков целостные свойства организма передаются из поколения в поколение.

• Сравните целостность амёбы и эритроцита. Какие признаки позволяют сделать убедительный вывод?

Организм как целостная система регулирует своё состояние, управляя подчинёнными системами (клетками, органами, системами органов). У подавляющего большинства многоклеточных животных способность к саморегуляции связана с двумя системами центрального управления — эндокринной и нервной. Они оценивают работу исполнительных систем и управляют ими посредством гормонов и

нервных импульсов. Некоторые управляющие действия (но не все) мы можем контролировать сознательно (рис. 3.2).

3.2. Каждая подсистема организма способна к саморегуляции. Системы центрального управления при необходимости изменяют режим регуляции.

Приведите примеры самостоятельной регуляции органов и управления ими.

Клетка - элементарная единица живой материи

Все организмы представлены либо отдельными клетками (бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие), либо сами состоят из клеток. Именно поэтому считается, что вирусы — неклеточные формы жизни — появились путём упрощения первично самостоятельных клеток.

Клетка — биохимическая “кухня” организма: именно в ней происходят все химические процессы, влияющие на построение тела и функционирование отдельных клеток, органов и организма в целом. Химические реакции можно успешно контролировать, только если они происходят в очень ограниченном объёме. Скорость передвижения химических реагентов (молекул, атомов, ионов) ограничена скоростью диффузии. Поэтому клетки не бывают большими, а у ядерных организмов они дополнительно разделены мембранами на камеры меньшего размера.

• Почему организмы большого размера всегда многоклеточны?

Химические реакции, составляющие суть работы клетки, заключаются в синтезе белков-ферментов. Этот процесс подвержен саморегуляции.

Информация о структуре белка записана в молекулах ядерной ДНК. Она считывается с помощью молекул РНК и переносится в цитоплазму, в центры синтеза белков. Когда их произведено достаточное количество, некоторые белки проникают в ядро и блокируют считывание информации с ДНК. Если белков недостаточно, то блокировка снимается и синтез возобновляется (рис. 3.3).

3.3. Регуляция синтеза белка.

• Почти все ядра многоклеточного организма содержат одну и ту же наследственную информацию. Но функции клеток разных тканей сильно различаются. Кто посылает в ядро “заказ” на информацию, необходимую именно для данной клетки?

Макромолекулы - химическая основа жизни

Все живые системы существуют за счёт непрекращающихся химических процессов. Главными участниками этих процессов являются молекулы. Их нельзя назвать живыми, потому что они такими свойствами не обладают: они статически стабильны, и для поддержания структуры им не нужны вещество и энергия из внешней среды. И всё-таки органический мир состоит из особых макромолекул — сложных химических соединений, которые производятся только живыми организмами, а вне их тела вскоре теряют основные свойства. Некоторые из них — белки и нуклеиновые кислоты — состоят из частей, соединённых в неповторяющуюся последовательность, как буквы в тексте.

Это является причиной огромного разнообразия таких веществ. По приблизительным подсчётам, в состав обитающих на Земле 2 млн видов организмов входит более 100 млрд различных белков. Многие из них определяют уникальное своеобразие видов на уровне обмена веществ.

Химические реакции, протекающие с участием макромолекул, чрезвычайно своеобразны. В большинстве участвует лишь часть огромной молекулы — её активный центр. Также часто макромолекулы служат катализаторами превращений других веществ, но при этом сами в реакцию не вступают. Недаром структурой и взаимодействием макромолекул занимается отдельная наука - биохимия.

Получается, что макромолекулы — это ещё не живые системы, но весьма своеобразная химическая основа для их построения.

Популяция - система самовоспроизведения

Организм не может жить бесконечно. Его жизнь продолжается в потомстве. Но потомство одной особи (в случае бесполого размножения) не обладает разнообразием признаков, достаточным для надёжного противостояния изменениям среды. У семьи раздельнополых организмов потомки обладают более разнообразными признаками, но в этом случае сохраняется риск совсем не оставить потомства. Только группа особей одного вида, длительно населяющая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений, может надёжно обеспечить продолжение жизни в потомстве. Такая группа особей называется популяцией. Она обладает достаточной численностью и запасом изменчивости, чтобы приспосабливаться к изменчивой среде и не исчезнуть по случайным причинам. Каждый биологический вид состоит из системы контактирующих популяций, наследственно совместимых друг с другом.

Популяция сохраняет потенциальную способность к бессмертию благодаря регуляции численности. Главный регулятор численности популяции — её плотность, то есть число особей на единицу жизненного пространства (рис. 3.4, 3.5).

3.4. Динамика численности леммингов.

3.5. Регуляция популяции.

• Объясните регуляторную роль плотности популяции при высокой и низкой численности.

Биоценоз - многовидовое сообщество

Сообщество совместно обитающих популяций различных видов называют биоценозом. Это понятие объединяет живую часть экосистемы — всех жителей одного местообитания.

Ни один живой организм не может существовать вне биоценоза. Растения производят органическое вещество, необходимое животным. Обратная зависимость менее очевидна, но без других членов биоценоза растения в конце концов лишатся минерального питания в почве. Да и роль животных в опылении и распространении семян не заменит никто.

• Как влияет листовёртка на популяцию дуба?

• Найдите связи различных типов и направленности.

Все виды каждого сообщества различными путями влияют на численность друг друга (рис. 3.6, 3.7). Это влияние может быть прямым или косвенным, положительным или отрицательным, сильным или слабым. Но только равновесие всех межвидовых отношений обеспечивает устойчивое существование биоценоза. Следовательно, все члены сообщества приспособлены друг к другу.

3.6. Влияние листовёртки на популяцию дуба.

3.7. Связи в сообществе.

Биосфера - оболочка Земли, переработанная жизнью

Все живые системы несамостоятельны: они открытые и существуют лишь потому, что получают энергию и необходимые вещества извне.

Биосфера представляет собой оболочку Земли, преобразованную жизнедеятельностью организмов. Совокупность организмов в ней, по выражению естествоиспытателя В.И. Вернадского, образует живое вещество, а неорганические компоненты — косное. Биокосное вещество (например, почва) — результат совместной деятельности организмов и процессов неживой природы.

Биосфера включает в себя все проявления жизни, но сама живой системой не является. По массе большая часть биосферы представлена косным веществом. Главный источник энергии в биосфере — солнечные лучи. Они не только используются растениями, но и нагревают Землю, причём около 80% поступающей энергии обеспечивает круговорот воды. Температура воздуха у поверхности Земли в среднем составляет 15 °С, а в околоземном космическом пространстве -263 °С. Эта разность температур — важнейший источник движения атмосферы и гидросферы.

Живые организмы — самая химически активная часть биосферы. Именно поэтому они, составляя незначительную долю биосферы по массе, играют роль главного регулятора в большом круговороте веществ. Они улавливают, накапливают и переносят вещество и энергию в биосфере, тем самым поддерживая благоприятную для жизни химическую среду на Земле. Благодаря им окружающая среда насыщена кислородом и содержит оптимальную концентрацию углекислого газа, а ядовитые компоненты, такие как аммиак и метан, большей частью нейтрализованы. За 2000 лет живые организмы пропускают через себя весь атмосферный кислород, а углекислый газ - за 200 лет (рис. 3.8).

3.8. Регулирующая роль живого вещества в биосферном круговороте.

Всё, что биосфера не использует, откладывается в виде горных пород и изымается из активного круговорота (нижний контур на схеме).

• Почему жизнь может существовать, только участвуя в биосферном круговороте?

Жизнь охватывает разные уровни организации

3.9. Соотношение размеров систем разных уровней организации.

Рассмотренные нами типы структур и взаимосвязей в живом веществе представляют собой различные уровни организации живого. Они различаются по сложности строения и степени целостности. Целостность системы тем выше, чем больше в ней взаимосвязей и незаменимых элементов, чем больше способов регуляции и чем более совершенны они в поддержании постоянства связей. Наивысшая целостность достигается на уровне организма.

Биологические системы различного уровня организации изучаются специальными разделами биологии.

Уровни организации	Разделы биологии
Биосферный	Глобальная экология
Биоценотический	Экология сообществ
Популяционно-видовой	Популяционная экология, эволюционная биология
Организменный	Морфология, физиология, генетика, эмбриология и т.д.
Клеточный	Цитология, микробиология
Молекулярный	Молекулярная биология, биохимия

• Предположите, какие проблемы интересуют биологов различных специальностей.

Обобщение новых знаний

Феномен жизни обеспечивает регуляцию на разных уровнях организации живого: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, биоценотическом, биосферном.

Уровни организации живого

Применение знаний

1. Почему специфика жизни особенно ярко выражена на организменном уровне?

2. Какие причины заставляют считать молекулу неживой?

3. Почему надёжная смена поколений возможна только в популяции?

4. Почему жизнь не может быть представлена одним видом?

5. Почему в изоляции от окружающей среды жизнь невозможна?

6. Почему популяции могут обеспечить жизнь в геологическом масштабе времени?

7. Почему биосфера, включая всё живое, не обладает свойством жизни?

8. Чем отличаются процессы жизнедеятельности на каждом уровне организации?

9. На каком уровне организации более совершенны механизмы регуляции: на биосферном или популяционном? В чём это выражается?