Уровни организации живой материи

Самое первое, с чего обычно начинается изучение новой темы по биологии – это строение. Потому что, не изучив строение, мы вряд ли сможем разобраться с функциями чего-либо.

Вот и вся живая природа или даже можно сказать жизнь на Земле имеет определённое строение. А не только, к примеру, наше сердце с четырьмя камерами, разделёнными клапанами или клетки листьев ромашки с хлоропластами внутри.

Причём упорядоченное строение имеют не только отдельные организмы, начиная от одноклеточных и заканчивая многоклеточными, но и их совокупности. Например, группа особей, свободно скрещивающихся между собой и занимающих определённую территорию, уже образует систему – популяцию. Этой системы физически не существует, и мы не можем её потрогать, но зато такая совокупность особей обладает определёнными свойствами: рождаемостью, соотношением полов, скоростью размножения и так далее. Которых, в свою очередь, не существует на уровне отдельных организмов. Таким образом, свойства системы – популяции в нашем случае – не сводятся к сумме составляющих её частей. Они могут быть даже противоположными – теоретически бессмертная при благоприятных условиях популяция состоит из совсем не теоретически, а очень даже практически смертных особей.

Упорядоченное строение всей живой природы в целом достаточно условно. Примерно так же, как и разделение всех живых организмов на группы, – классификация. Но в то же время оно общепринято и в любом случае помогает разобраться со всей невообразимой сложностью и запутанностью нюансов жизни на Земле.

Так вот. Всю живую природу можно представить в виде системы. Огромной и сложной. Части, составляющие эту систему, в свою очередь, также являются системами. Например, каждый заяц в лесу является частью популяции зайцев этого леса, а сам состоит из множества клеток. Так выстраивается многоуровневая и иерархическая организация живых систем.

Объять необъятное невозможно, поэтому учёные выделили в этой системе отдельные части – уровни. Которые являются уникальными, находятся в соподчинении друг с другом, но кардинальным образом отличаются проявлениями жизни.

Как выделили эти уровни? Дело в том, что жизнь на Земле можно рассматривать, выбирая для изучения разные её части. Более или менее самодостаточные с каким-то одним типом взаимодействия элементов. То есть относительно завершённые и разные по объёму.

И вот здесь мы ставим себе задачу – разобраться, какие уровни организации живой материи существуют и чем они отличаются друг от друга.
Запомните – владение этой темой, как лакмусовая бумажка. Разберётесь и усвоите – вы настоящий биолог и сможете проникнуть в самые сокровенные тайны живой природы. Тут уж от вашего дальнейшего желания всё будет зависеть.
А если возникнут проблемы с пониманием – нужно упереться и обязательно доработать моменты, которые вызвали затруднения. Вы же хотите стать настоящим биологом?

Итак, мы знаем, что жизнь – это, кроме всего прочего, – тысячи химических реакций, протекающих в клетке. Почему говорим о клетке? Вы, наверное, догадались. Клетка является той минимальной структурой, можно сказать, фабрикой, где реакции начинаются и реакции заканчиваются. То есть происходит весь «производственный процесс». Помните первое и самое главное положение клеточной теории? Клетка – это элементарная, функциональная единица строения всего живого.
Химические процессы, происходящие внутри живых организмов, уникальны. Потому что в них участвуют вещества, которые не способны существовать и взаимодействовать между собой вне живых организмов, вне клетки.

Например, ферменты – сложные по строению белковые молекулы – могут проявлять свои свойства только при определённой температуре, давлении, кислотности среды. Все эти условия не могут быть соблюдены вне живого организма, соответственно, и ферменты вне клетки не могут работать. Они утрачивают свою рабочую структуру.

Изучением строения и взаимодействия молекул различных веществ, в первую очередь органических, между собой и занимаются на молекулярном уровне. То есть на уровне молекул. Ещё раз подчеркнём. Этот уровень отнесён к уровню организации живого вещества потому, что вне живых организмов сложные органические вещества становятся неспособными к взаимодействию. А вот внутри живых организмов эти мёртвые молекулы – они не обладают ни одним свойством живого, о которых вы говорили на прошлом уроке, разве что дискретностью – оживают и способны выполнять уникальные функции, свойственные живому.

Соответственно, молекулярный – это и самый простой, начальный уровень организации живого. Так как меньше молекул только отдельные атомы химических элементов. А вот уж если рассматривать взаимодействие атомов между собой, то здесь мы не найдём кардинальных отличий – происходит это в живой природе или неживой. Изучение строения и взаимодействия атомов химических веществ – область химиков и физиков. Поэтому начальным и фундаментальным уровнем организации живого вещества является молекулярный. И изучается биологами.

Приведём конкретные примеры.
Для этого, кстати, нам понадобятся знания из химии. По этому уровню без них не ступить ни шагу. Вообще, запомните. Химик может позволить себе некоторые пробелы в знании биологии. Потому что знать химию без знания биологии – возможно. А вот человеку, который слабо разбирается в химии, но собирается стать биологом – дорога туда заказана. Вот почему на нас, биологах, лежит двойная нагрузка.

Итак, исключительная роль в функционировании живых организмов принадлежит молекулам органических веществ. Как вы знаете, это белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Также вы знаете, что в состав живых организмов входит более 100 химических элементов, а основная роль принадлежит углероду. Почему? А потому, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепочки. Давая при этом огромнейшее разнообразие органических веществ, которых насчитывается десятки миллионов. По сравнению с несколькими сотнями тысяч неорганических. Вы знаете, что органическую химию ещё так и называют – химия углерода.

А сложные органические вещества, образующие цепочки, в свою очередь – полимерами (от греческого πολύ- — «много» и μέρος — «часть»). То есть, это вещества, состоящие из повторяющихся фрагментов – остатков других веществ – мономеров. Из того же греческого μόνος — «один».

В 8 классе вы достаточно подробно останавливались на строении таких веществ при изучении собственных процессов пищеварения. Помните? Откусили кусок булки, а в слюне её уже поджидает фермент амилаза. Которая расщепляет длинные молекулы крахмала до мальтозы, состоящей уже всего из двух молекул. С появлением во рту мальтозы на неё набрасывается фермент мальтаза и режет молекулу сахара напополам всего до одной молекулы сладенькой глюкозы.

Таким образом молекула крахмала, состоящая из повторяющихся молекул глюкозы – это полимер, а сама глюкоза, которая представляет собой одну молекулу – мономер.

Полимер крахмал состоит из мономеров – молекул глюкозы.

Количество мономеров в полимере может быть разным. От нескольких десятков тысяч в том же крахмале до сотен миллионов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Имея сложное строение, полимеры проявляют и самые разнообразные свойства. Которые напрямую зависят от количества звеньев, входящих в их состав. А количество мономеров может изменяться в очень широких пределах, как мы выяснили. Но и это не всё. Каждая молекула уникальна благодаря разному чередованию этих звеньев и их взаимному расположению. В результате мы получаем немыслимое разнообразие биомолекул и теперь можем не удивляться многообразию жизненных форм на Земле. Но! В то же время все биологические молекулы построены по единому принципу. И это одно из доказательств единства живой природы.

Изучая важнейшие биологические соединения, исследователи узнают, как происходят рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии и многое другое.

Поднимаемся вверх. Следом за молекулярным выделяют клеточный уровень. Мы с вами заостряли внимание на том, что на молекулярном уровне живые организмы не обладают свойствами живого. А вот клеточный – это первый уровень организации живого, который обладает всеми свойствами живого. Здесь изучается строение и взаимодействие клеточных органоидов на уровне одной клетки. Что конкретно? Например, любая клеточная мембрана – именно она и является основой жизни – трёхслойная, состоящая из двух слоёв липидов и слоя белков. Клеточная мембрана обладает уникальными, и, казалось бы, несовместимыми свойствами. Она должна отграничивать содержимое клетки от окружающей среды, то есть никого внутрь не пропускать, а с другой стороны – обеспечивать обмен веществ – обязательное условие жизни. Наверное, её работу можно сравнить с работой таможни. Только называется она – избирательная проницаемость. Кроме которой плазмалемма выполняет ещё почти десяток функций.

Итак, на клеточном уровне живое обладает всеми свойствами живого: клетка дышит, размножается, реагирует на изменения окружающей среды и так далее.
Изучая механизм деления клеток, их специализацию в процессе развития, учёные решают ряд очень важных практических задач. В первую очередь, для медицины. Попробуйте сами привести примеры.

Следующий уровень, который мы рассмотрим, частично пересекается с клеточным. Дело в том, что организмов, тело которых представлено всего одной клеткой, можно отнести к двум уровням. Клеточному – так как это одна клетка. И организменному – так как это полноценный организм.

Как работают два миллиона нефронов в наших почках и почему в сутки у человека образуется до 150 литров первичной мочи, как выживает лягушка после полного замерзания водоёма, а бурокрылая ржанка пролетает без посадки 3000 километров…

Захватывающие примеры функционирования живых организмов можно продолжать практически бесконечно. Согласованная работа органов и систем органов, адаптации и поведение в различных экологических условиях – всё это изучается здесь. На организменном уровне.

Следующие уровни немного сложнее для понимания, потому что, скажем так, их невозможно потрогать. А можно только представить и убедить себя в том, что они есть. Кроме того, если на предыдущих уровнях жизнь закономерно и всегда заканчивается смертью, то на последующих при оптимальных условиях среды живое способно существовать неограниченно долго.
Первым таким уровнем, который следует за организменным, является популяционно-видовой. Где изучается взаимодействие особей между собой в отдельно взятой популяции или виде в целом. То есть предмет изучения – совокупность особей.
Что конкретно? Например, численность зайцев на определённой территории, их возрастная структура, то есть количество особей разного возраста в популяции, половая структура и так далее. Без таких данных, кроме всего прочего, человек не сможет составить достоверный прогноз развития данной части природного сообщества. А это бывает просто необходимо для успешного развития сельского хозяйства, решения проблемы сохранения исчезающих видов.

Более крупным уровнем является экосистемный. Здесь рассматриваются уже не отдельно взятые зайцы леса, а все живые организмы, населяющие участок земной поверхности в их взаимодействии со средой обитания. Например, можно рассчитать, сколько данная дубрава выделяет кислорода за лето. Или за год и так далее.

На этом уровне изучаются взаимоотношения организмов и среды, условия, определяющие продуктивность экосистем, их устойчивость, а также влияние на них деятельности человека.

Ну и наивысшим уровнем организации живого является биосферный. Он состоит из множества экосистем, о которых мы только что говорили. Точнее, не из множества экосистем. А из всех.

Изучая природу на этом уровне, мы можем узнать, например, концентрацию углекислого газа во всей атмосфере Земли, рассчитать, сколько его потребляют живые организмы, и предсказать, угрожает ли человечеству глобальное потепление, таяние ледников, повышение уровня воды в Мировом океане и всемирный потоп.
Выясняя механизмы протекания глобальных биогеохимических циклов, а к ним относятся круговороты веществ и потоки энергии, учёные-биологи ни много ни мало продлевают жизнь человеческой цивилизации.