Уровни организации живых систем и их характеристики

 

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.

 

Внутренняя регуляция. Процессы, протекающие  в клетках, подвержены регуляции. На молекулярном уровне регуляторные механизмы  существуют в виде обратных химических реакций, основу которых составляют реакции с участием ферментов, обеспечивающие замкнутость процессов регуляции  по схеме синтез — распад — ресинтез. Синтез белков, включая ферменты, регулируется с помощью механизмов репрессии, индукции и позитивного

 

контроля. Напротив, регуляция активности самих ферментов происходит по принципу обратной связи, заключающейся в  ингибировании конечным продуктом. Известно также регулирование путем  химической модификации ферментов. В регуляции активности клеток принимают  участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию.

 

Любое повреждение молекул ДНК, вызванное физическими или химическими  факторами воздействия, может быть восстановлено с помощью одного или нескольких ферментативных механизмов, что представляет собой саморегуляцию. Она обеспечивается за счет действия контролирующих генов и в свою очередь обеспечивает стабильность генетического материала и закодированной в нем генетической информации.

 

Специфичность взаимоотношений со средой. Организмы живут в условиях определенной среды, которая для  них служит источником свободной  энергии и строительного материала. В рамках термодинамических понятий  каждая живая система (организм) представляет собой «открытую» систему, позволяющую  взаимно обмениваться энергией и  веществом в среде, в которой  существуют другие организмы и действуют  абиотические факторы. Следовательно, организмы взаимодействуют не только между собой, но и со средой, из которой  они получают все необходимое  для жизни. Организмы либо отыскивают среду, либо адаптируются (приспосабливаются) к ней. Формами адаптивных реакций  являются физиологический гомеостаз (способность организмов противостоять  факторам среды) и гомеостаз развития (способность организмов изменять отдельные  реакции при сохранении всех других свойств). Адаптивные реакции определяются нормой реакции, которая генетически  детерминирована и имеет свои границы. Между организмами и  средой, между живой и неживой  природой существует единство, заключающееся  в том, что организмы зависят  от среды, а среда изменяется в  результате жизнедеятельности организмов.

 

 

Результатом жизнедеятельности организмов является возникновение атмосферы  со свободным кислородом и почвенного покрова Земли, образование каменного  угля, торфа, нефти и т. д.

 

Обобщая сведения о свойствах живого, можно заключить, что клетки представляют собой открытые изотермические системы, которые способны к самосборке, внутренней регуляции и к самовоспроизведению. В этих системах осуществляется множество реакций синтеза и распада, катализируемых ферментами, синтезируемыми внутри самих клеток.

 

Свойства, перечисленные выше, присущи  только живому. Некоторые из этих свойств  обнаруживаются и при исследовании тел неживой природы, однако у последних они характеризуются совершенно другими особенностями. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных характеристик, которые присущи росту живого. Между свойствами, характеризующими живое, существует диалектическое единство, проявляющееся во времени и пространстве на протяжении всего органического мира, на всех уровнях организации живого.

 

Уровни организации живого

В организации живого в основном различают молекулярный, клеточный, тканевой, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобальный (биосферный) уровни. На всех этих уровнях проявляются все свойства, характерные для живого. Каждый из этих уровней характеризуется особенностями, присущими другим уровням, но каждому уровню присущи собственные специфические особенности.

 

 

 

 

Молекулярный уровень. Этот уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.

 

Размеры биологических молекул  характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в  живой материи. Самыми малыми биологическими молекулами являются нуклеотиды, аминокислоты и сахара.

 

 Напротив, белковые молекулы  характеризуются значительно большими размерами. Например, диаметр молекулы гемоглобина человека составляет 6,5 нм.

 

Биологические молекулы синтезируются  из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые  в процессе метаболизма превращаются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы  с большой молекулярной массой На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

 

Физикохимическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям.

 

 Большинство этих соединений  в клетках представлено нуклеиновыми  кислотами и белками, макромолекулы  которых являются полимерами, синтезированными  в результате образования мономеров,  и соединения последних в определенном  порядке. Кроме того, мономеры  макромолекул в пределах одного  и того же соединения имеют  одинаковые химические группировки  и соединены с помощью химических  связей между атомами их неспецифических  частей (участков).

 

Все макромолекулы универсальны, т. к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь  универсальными, они одновременно и  уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК  входит по одному азотистому основанию  из четырех известных (аденин, гуанин, цитозин и тимин),

 

 вследствие чего любой нуклеотид  или любая последовательность  нуклеотидов в молекулах ДНК  неповторимы по своему составу,  равно как неповторима также  и вторичная структура молекулы  ДНК. В состав большинства белков  входит 100-500 аминокислот, но последовательности  аминокислот в молекулах белков  неповторимы, что делает их  уникальными.

 

Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные  структуры, примерами которых являются нуклеопротеиды, представляющие собой  комплексы нуклеиновых кислот и  белков, липопротеиды (комплексы липидов  и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых  кислот и белков). В этих структурах комплексы связаны нековалентно, однако нековалентное связывание весьма специфично. Биологическим макромолекулам присущи непрерывные превращения, которые обеспечиваются химическими реакциями, катализируемыми ферментами. В этих реакциях ферменты превращают субстрат в продукт реакции в течение исключительно короткого времени, которое может составлять несколько миллисекунд или даже микросекунд. Так, например, время раскручивания двухцепочечной спирали ДНК перед ее репликацией составляет всего лишь несколько микросекунд.

 

Биологическая специфика молекулярного  уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность  нуклеиновых кислот заключается  в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе  белков. Этим свойством не обладают другие биологические молекулы.

 

Специфичность белков определяется специфической  последовательностью аминокислот  в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические  биологические свойства белков, т. к. они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и  регуляторами различных процессов, протекающих в клетках.

 

 Углеводы и липиды являются  важнейшими источниками энергии,  тогда как стероиды в виде  стероидных гормонов имеют значение  для регуляции ряда метаболических  процессов.

 

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что  процессы биосинтеза осуществляются в  результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот  и белков протекают по сходной  схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим  ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты  обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные  с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти  мутации изменяют последовательность азотистых оснований в молекулах  ДНК.

 

 

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение  этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и  других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул  — в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ.

 

 Наконец, на этом уровне  происходит превращение энергии  макроэргических фосфатных связей  в работу — механическую, электрическую,  химическую, осмотическую, механизмы  всех метаболических и энергетических  процессов универсальны.

 

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между  молекулярным и следующим за ним  уровнем (клеточным), т. к. являются материалом, из которого образуются надмолекулярные  структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые  обеспечивают энергией клеточный уровень.

 

Клеточный уровень. Этот уровень организации живого представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие и другие), а также клетками многоклеточных организмов. Главнейшая специфическая черта этого ^уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл. Заметные различия в строении есть между клетками-прокариотами и клетками организмов-эукариотов, но в функциональном плане эти различия нивелируются, ибо везде действует правило «клетка от клетки». Надмолекулярные структуры на этом уровне формируют мембранные системы и органеллы клеток (ядра, митохондрии и др.).

 

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение  и упорядочение процессов жизнедеятельности  в пространстве и во времени, что  связано с приуроченностью функций  к

 

разным субклеточным структурам. Например, у клеток эукариотов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы).

 

Мембранные структуры являются «ареной» важнейших жизненных процессов, причем двухслойное строение мембранной системы значительно увеличивает  площадь «арены». Кроме того, мембранные структуры обеспечивают отделение  клеток от окружающей среды, а также  пространственное разделение в клетках  многих биологических молекул. Мембрана клеток обладает высокоизбирательной  проницаемостью. Поэтому их физическое состояние позволяет постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Помимо мембран общего назначения в клетках существуют внутренние мембраны, которые ограничивают клеточные органеллы.

 

Регулируя обмен между клеткой  и средой, мембраны обладают рецепторами, которые воспринимают внешние стимулы. В частности, примерами восприятия внешних стимулов являются восприятие света, движение бактерий к источнику  пищи, ответ клеток-мишеней на гормоны, например, на инсулин. Некоторые из мембран одновременно сами генерируют сигналы (химические и электрические).'Замечательной особенностью мембран является то, что на них происходит превращение энергии.

 

 

 В частности, на внутренних  мембранах хлоропластов происходит  фотосинтез, тогда как на внутренних  мембранах митохондрии осуществляется  окислительное фосфорилирование.

 

Компоненты мембран находятся  в движении. Построенным главным  образом из белков и липидов, мембранам  присущи различные перестройки, что определяет раздражимость клеток — важнейшее свойство живого.

 

 

Тканевой уровень представлен тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностью. У многоклеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток.

 

У животных различают несколько  типов тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная, а также кровь  и лимфа). У растений различают  меристематическую, защитную, основную и проводящую ткани. На этом уровне происходит специализация клеток.