Уровни организации и изучения жизненных явлений

Уровни организации и изучения жизненных явлений

         Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации еёструктур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу (См.Биосфера), которая складывается из биогеоценозов — областей с характерными природными условиями,заселённых определёнными комплексами (Биоценозами) организмов; биоценозы состоят из популяций —совокупностей животных или растительных организмов одного вида, живущих на одной территории;популяции состоят из особей; особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованныхразличными клетками; клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которыестроятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные сразличными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- инижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими отраслямисовременной Б. На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярнойгенетикой, цитохимией, многими разделами вирусологии, микробиологии изучаются физико-химическиепроцессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают,что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся внеживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие Биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты иполисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты,нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.). На молекулярном уровне изучают синтез ирепродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обменвеществом, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Уже выяснены основные пути обмена,важнейшая особенность которых — участие биологических катализаторов — белков-ферментов, строгоизбирательно осуществляющих определённые химические реакции. Изучено строение ряда белков инекоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическаяэнергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатыхэнергией (макроэргических) соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (См. Аденозинфосфорныекислоты) (АТФ и др.), и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез итранспорт веществ, мышечное сокращение и др.). Крупный успех Б. — открытие генетического кода (См.Генетический код). Наследственные свойства организма «записаны» в молекулах дезоксирибонуклеиновойкислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК) четырьмя видами чередующихся в определённойпоследовательности мономеров-нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться (самокопироваться)обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей кпотомкам. Реализация наследственной информации происходит при участии синтезируемых на матричныхмолекулах ДНК молекул рибонуклеиновой кислоты (См. Рибонуклеиновые кислоты) — РНК, которыепереносятся от хромосом ядра на специальные внутриклеточные частицы — Рибосомы, где иосуществляется биосинтез белка. Т. о., закодированная в ДНК наследственность контролирует через белки-ферменты как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом.

         Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видовмолекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделениямакромолекул используются их различия в плотности и размерах (Ультрацентрифугирование), зарядах(Электрофорез), адсорбционных свойствах (Хроматография). Взаимное пространственное расположениеатомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного аналаза (См. Рентгеноструктурныйанализ). Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений,содержащих радиоактивные атомы. Важным методом является также создание искусственных модельныхсистем из выделенных клеточных компонентов, где частично воспроизводятся процессы, идущие в клетке. (Все биохимические процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённыхклеточных структурах, создающих пространственную разобщённость различных одновременно протекающихреакций.)

         При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определённым образом подобранныхи ориентированных молекул, Б. поднимается на следующий уровень организации жизни — клеточный. Наэтом уровне цитология, гистология и их подразделения (кариология, цитогенетика, цито- и гистохимия,цитофизиология и др.), а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строениеклетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях иорганах. Клетка — основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточногоорганизма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее,являются бесклеточными. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различныефункции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и, следовательно, ответственные за сохранение ипередачу дочерним клеткам наследственных свойств. Энергетический обмен в клетке — дыхание, синтезАТФ и др. — происходит главным образом в митохондриях (См. Митохондрии). Поддержание химическогосостава клетки, активный транспорт веществ в неё и из неё, передача нервного возбуждения, форма клеток ихарактер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одноготипа образует ткань (См. Ткани), функциональное сочетание нескольких тканей — Орган. Строение ифункции тканей и органов в основном определяются свойствами специализированных клеток.

         Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различныхклеток и тканей и их изменения в процессах развития. При изучении клеток в световом микроскопе,позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разныеметоды фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски и др. (см. Микроскопия).Локализацию в клетке различных химических веществ и ферментов выявляют цветными гистохимическимиреакциями, места синтеза макромолекул — авторадиографией (См. Авторадиография). Электроннаямикроскопия позволяет различать структуры порядка 5—10 Å, т. е. вплоть до макромолекул, хотя описаниеих строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточныхкомпонентов изучают, выделяя их из разрушенных (гомогенизированных) клеток осаждением в центрифугахс различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительногокультивирования их вне организма (см. Культуры тканей); пользуясь микроманипуляторами и методамимикрургии (См. Микрургия), производят обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизацию) клеток и т.д.

         На уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи (индивидууме) иопределяющие согласованное функционирование её органов и систем. Этот уровень исследуют физиология(в т. ч. высшей нервной деятельности), эндокринология, иммунология, эмбриология, экспериментальнаяморфология и многие другие отрасли Б. Для создания общей теории Онтогенеза особенно интересныисследования, направленные на вскрытие причинных механизмов становления биологической организации,её дифференцировки и интеграции, реализации генетической информации в онтогенезе. На этом уровнеизучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимныевлияния органов, нервную, эндокринную и гуморальную регуляцию их функций, поведение животных,приспособительные изменения и т.д. В организме функции разных органов связаны между собой: сердца —с лёгкими, одних мышц — с другими и т.д. В значительной мере эта взаимосвязь (интеграция) частейорганизма определяется функцией желёз внутренней секреции (См. Внутренняя секреция). Так,поджелудочная железа и надпочечники через гормоны — инсулин и адреналин — регулируют накоплениегликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципуобратной связи — одна железа (например, гипофиз) активирует функцию другой (например, щитовиднойжелезы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постояннуюконцентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желёз. Ещёболее высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с её центральными отделами,органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организмполучает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатываетсяцентральной нервной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма.

         Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получилиэлектрофизиологические, состоящие в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов(См. Биоэлектрические потенциалы). Эндокринная регуляция изучается в основном биохимическимиметодами (выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действиягормонов и др.). Исследования высшей нервной деятельности животных и человека включают еёмоделирование, в том числе с применением средств кибернетики (См. Кибернетика биологическая), а такжеэкспериментальный анализ поведения (предъявление задач, выработка условных рефлексов и т.д.).

         На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли Б. изучают элементарную единицуэволюционного процесса — популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определеннуютерриторию и в большей или меньшей степени изолированную от соседних таких же совокупностей.Подобная составная часть Вида способна длительно существовать во времени и пространстве,самовоспроизводиться (посредством репродукции входящих в неё особей) и трансформироваться(посредством преимущественного размножения тех или иных групп особей, различающихся в генетическомотношении). В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в неёорганизмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу. Единство популяцииопределяется потенциальной способностью всех входящих в её состав особей скрещиваться (Панмиксия), азначит — и обмениваться генетическим материалом. Половое размножение, характерное для большинстваобитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетического строения всех сочленов популяции, таки возможность многократного увеличения генетического разнообразия посредством комбинациинаследственных элементов. Изоляция одной популяции от других делает возможным существование впроцессе эволюции такого «разнообразного единства». Для организмов, размножающихся бесполым путём(посредством вегетативного размножения (См. Вегетативное размножение), Партеногенеза или Апомиксиса),морфо-физиологическое единство популяций определяется опять-таки общностью их генетического состава.Однако в отношении таких бесполых, вегетативно или простым делением размножающихся организмов встрогой форме не применимо понятие вида. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано ис молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами. При этом генетика своими методамиизучает характер распределения наследственных особенностей в популяциях; морфология, физиология,экология и другие отрасли Б. исследуют популяцию своими методами. Т. о., популяция и вид как целое могутслужить объектами исследования самых разных отраслей Б.

         На биогеоценотическом и биосферном уровне объектом изучения биогеоценологии, экологии,биогеохимии и других отраслей Б. служат процессы, протекающие в биогеоценозах (часто называемыхэкосистемами) — элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. Каждая популяциясуществует в определённой среде и составляет часть многовидового сообщества — биоценоза,занимающего определённое местообитание — биотоп. В этих сложных комплексах живых и косныхкомпонентов первичными продуцентами органического вещества служат фотосинтезирующие растения ихемосинтезирующие бактерии. Т. о., биогеоценозы — это те «блоки», в которых протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большойбиосферный круговорот. В структурно-энергетическом смысле биогеоценоз — открытая, относительностабильная система, имеющая вещественно-энергетические «входы» и «выходы», связывающие междусобой смежные биогеоценозы в цепи. Обмен веществ между биогеоценозами осуществляется вгазообразной, жидкой, твёрдой фазах и, по выражению В. И. Вернадского, в своеобразной форме живоговещества (динамика популяций растений и животных, миграции организмов и т.п.). С биогеохимическойточки зрения миграции вещества в цепях биогеоценозов могут рассматриваться как серии сопряжённыхпроцессов рассеивания и концентрирования вещества в организмах, почвах, водах и атмосфере.

         Важное практическое значение приобрело во 2-й половине 20 в. изучение биологическойпродуктивности (См. Биологическая продуктивность) биогеоценозов (первичной — утилизации энергиисолнечной радиации посредством фотосинтеза, и вторичной — использования гетеротрофнымиорганизмами (См. Гетеротрофные организмы) энергии, запасённой автотрофными организмами (См.Автотрофные организмы)). Необходимость самостоятельного изучения биогеоценотического (биосферного)уровня организации живого обусловливается тем, что биогеоценозы — среда, в которой протекают любыежизненные процессы на нашей планете. На этом уровне проводятся комплексные исследования,охватывающие взаимоотношения входящих в биогеоценоз биотических и абиотических компонентов,выясняющие миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетическихкруговоротов. Такой широкий подход, дающий возможность, в частности, предвидеть последствияхозяйственной деятельности человека, получает распространение и в форме Биологической программымеждународной (См. Биологическая программа международная), призванной координировать усилиябиологов многих стран.

         Концентрация биологических исследований по уровням организации живого предполагаетвзаимодействие различных отраслей Б., что чрезвычайно продуктивно, т.к. обогащает смежныебиологические науки новыми идеями и методами.