Биосферный уровеньпредставляет собой совокупность биоценозов, которая образует биосферу Земли.

Лекция 11. Биология.

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические молекулы, - предел химической эволюции вещества. Следующий принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным – живая материя. Живая природа (коротко - жизнь) является предметом изучения биологии. Живая природа отличается от других форм организации материи по ряду признаков:

· Любой живой организм, начиная с бактерии, состоит из большого числа атомов – макроскопичность. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.

· Организм содержит одновременно объект совокупность множества взаимодействующих элементов, обеспечивающие разнообразные биохимические процессы – гетерогенность;

· Все живые организмы имеют сходный химический состав (97% состава определяются шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор);

· Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет биологический вид. С другой стороны, конечность жизни живых систем создает условия для их эволюции (сменяемости и совершенствования);

· Свойство всего живого – раздражимость, которая проявляется в виде реакции на воздействие извне;

· Живая система обладает дискретностью, т.е. состоит из отдельных элементов, взаимодействующих между собой. Система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов. В то же время живой системе присуще свойство целостности – все ее элементы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом.

Согласно определению живого, данному академиком М.В.Волькенштейном

Жизнь есть свойство существования макроскопических гетерогенных открытых сильно неравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, о формах и развитии живого, распространенности живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природы.

Три концептуальных уровня биологического знания:

Описательно-натуралистическая (традиционная) биология имеет долгую историю. Ее метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача – их классификация (биологическая систематика).

Физико-химическая биология (экспериментальная) исследует молекулярный уровень живого с использованием методов рентгено-структурного анализа, электронной спектроскопии и др. Имеет большое прикладное значение как основы многих новейших направлений медицины.

Эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая изучение механизмов эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации. Концепция структурных уровней живого включает представления о соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов.

Молекулярно-генетический уровень – на нем совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. Биохимической основой этого уровня являются белки.

Белки- органические соединения входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, т.к. состоят из большого числа повторяющихся и сходных по составу низкомолекулярных соединений (мономеров). В состав белка входит 20 аминокислот (мономеров), различные сочетания и перестановки которых обеспечивают множество вариантов.

Характерным свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что они способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча. Это означает, что свойством живой материи является ее молекулярная асимметрия (молекулярная хиральность).

Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Дальнейшие исследования позволили выявить то специфическое, что на молекулярном уровне отличает живое от неживого. Наиболее важным было выделение из ядра клетки веществ, обладающих свойствами кислот, и названными нуклеиновыми кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемой сокращение РНК (рибонуклеиновая кислота), с другой – ДНК (дизоксирибонуклеиновая кислота). Способность клеток поддерживать высокую организацию зависит от т.н. генетической информации, которая сохраняется в ДНК. ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. ДНК состоит из двух мономерных цепей, закрученных одна вокруг другой. Генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех нуклеотидных оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, т.к. каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи (цепи комплиментарны). Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей – G и С или А и Т. Удвоение (репликация) ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит основой, на которой собирается комплиментарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются две дочерние двуспиральные, не отличимые по строению от родительской ДНК молекулы.

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий:

• Транскрипции (перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК);

• Трансляции (синтез белка на основе генетического кода информационной РНК);

• Репликации (удвоение молекул ДНК, необходимое для последующего деления клетки).

Таким образом, главное в механизме самовоспроизводства – свойство ДНК самокопироваться.

ДНК, находящиеся в клетке, составляют основу хромосомы. В хромосомах находятся гены – участки молекулы ДНК, содержащие информацию об одном из набора белков организма.

Клеточный уровень.Любой организм состоит из клеток(в простейшем случае – из одной клетки). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и служит первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов.

Клеточная теория была создана немецкими учеными Теодором Шванном и Матиасом Шлейденом:

• Все растительные и животные организмы состоят из клеток.

• Все клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и могут передавать наследственную информацию.

• Жизненный цикл любой клетки завершается или делением, или гибелью.

• Срок жизни клеток может не превышать несколько дней, а может совпадать со сроком жизни организма.

Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра (прокариоты), которые исторически являются предшественниками клеток, имеющих ядра (эукариотов). К миру живого относятся также вирусы – мельчайшие неклеточные организмы, размером от 20 до 300 нм (примерно в 50 раз мельче бактерий), которые находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.

Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются клетки, различные по строению и функциям. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 мкм до 155 мм (яйцо страуса). Живой организм может содержать миллиарды разнообразных клеток.

В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

Тканевый уровень. Совокупность однотипных клеток образуют живую ткань, из которой состоят различные органы живых существ.

Организменный (онтогенетичнеский) уровень. Система совместно функционирующих органов образуют организм. На этом уровне проявляется большое разнообразие живых систем.

Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция – это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов), занимающих определенную территорию. Вид с остоит обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

Биоценотический уровень образован биоценозами – исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанными друг с другом и с окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровеньпредставляет собой совокупность биоценозов, которая образует биосферу Земли.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения различных разделов биологии: молекулярный уровень изучается молекулярной биологией и генетикой, клеточный уровень –цитологией, микробиологией, анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях, зоология и ботаника – на организменном и популяционно-видовом уровнях, экология рассматривает биоценотический и биосферный уровни.

Человек формирует еще один структурный уровень материального мира – социум.

Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.

Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой, приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно - генетическом уровне является ген, на клеточном уровне - клетка. На организменном уровне - особь, на популяционном уровне - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.

Важным является то, что переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физическом представлении есть неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике соответствуют бифуркации. Кстати, и гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь - не жизнь».

С гармонией развития организма как целого, так и его частей, хорошо согласуется известный нам универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Согласно этому принципу, можно высказать и парадоксальную мысль: познание жизни и сама жизнь несовместимы!

Относительно живого организма как целостной системы Энгельгардт В.А. выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями.

· возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями.

· утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого.

· появление у возникающего целого новых свойств, определяемых как свойствами основных частей, так и возникновением новых связей между частями.

Представления о целом и части, используемые не только в системном анализе, но и в философии, полезны в применении их в физике живого, поскольку живым организмам присущи гармоническая иерархичность и целевая функция. Действительно, рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно сталкиваемся с проблемой целого и части – все наблюдаемые объекты являются частями более общего понятия целого и, в свою очередь, состоят из каких-то частей. Эти представления применимы к эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в процессах самоорганизации.

Сейчас уже является общепринятым положением, что живые организмы являются открытыми неравновесными системами и, естественно, поэтому хочется применить те же физические законы, которые используются для объяснения и даже управления физико-химическими процессами в объектах неживой природы.

Приложения.