13.1.2. Основные уровни организации живого

Системно-структурные уровни организации многообразных форм живого достаточно многочисленны. Среди них: молекулярный, кле­точный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический, биосферный. Могут быть определе­ны и другие уровни. Но во всем многообразии уровней должны быть выделены некоторые основные. Критерием выделения основных уровней выступают специфические дискретные структуры и фунда­ментальные биологические взаимодействия. На основании таких критериев достаточно четко выделяются следующие уровни органи­зации живого: молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой, биогеоценотический.

Молекулярно-генетический уровень. Знание закономерностей молекулярно-генетического уровня организации живого — необходи­мая предпосылка для ясного понимания жизненных явлений, проис­ходящих на всех остальных уровнях организации жизни. На этом уровне организации жизни гены представляют собой элементарные единицы. В XX в. развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов, развитие молекулярной биологии, биохимии позволило раскрыть основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Выяснено, что основные структуры на этом уровне, несущие в себе коды наследственной информации, представлены молекулами ДНК, дифференцированными по длине на элементы кода — трипле­ты азотистых оснований, образующих гены. Основные свойства генов: способность их к конвариантной редупликации, к локальным структурным изменениям (мутациям), способность передавать хран­ящуюся в них информацию внутриклеточным управляющим сис­темам.

Молекула ДНК представляет собой две спаренные нити, закручен­ные в спирали. Каждая из этих нитей соединяется с другой водород­ными связями; причем каждая из таких связей попарно соединяет либо аденин одной цепи с тимином другой, либо гуанин с цитозином. Конвариантная редупликация происходит по матричному принципу. Сначала разрываются водородные связи двойной спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы. Затем каждая из нитей на своей поверхности строит соответствующую нить, после чего новые нити комплементарно соединяются между собой. Пиримидиновые и пуриновые основания комплементарных нитей «сшиваются» между собой ДНК-полимеразой. Этот процесс осуществляется очень быстро. Так, на самосборку ДНК, состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов, требуется всего 100 с.

В синтезе белков важная роль принадлежит также и РНК. Синтез белка происходит в особых областях клетки — рибосомах. Рибосомы иногда образно называют «фабриками белка». Существует по крайне мере три типа РНК: высокомолекулярная РНК, локализующаяся в рибосомах; информационная-РНК, образующаяся в ядре клетки; транспортная-РНК.

В ядре генетический код переносится с молекул ДНК на молекулу информационной-РНК. Генетическая информация о последователь­ности и характере синтеза белка переносится из ядра молекулами информационной-РНК в цитоплазму к рибосомам и там участвует в синтезе белка. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляется транспортной-РНК. Белок, содержа­щий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5 — 6 мин.

Таким образом, как при конвариантной редупликации, так и при внутриклеточной передаче информации используют единый матрич­ный принцип: исходные молекулы ДНК и РНК являются матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие макромолекулы. Моле­кулы ДНК играют роль кода, в котором как бы «зашифрованы» все синтезы белковых молекул в клетках организма. Характерно, что все биологические организмы, известные нам на Земле, используют оди­наковый тип генетического кода. Редупликация, основанная на мат­ричном копировании, делает возможным сохранение не только гене­тической нормы, но и отклонений от нее, т.е. мутаций (основа про­цесса эволюции).

Центральная проблема современной молекулярной биологии — изучение строения и функций органических макромолекул, прежде всего иерархии их структурной организации: первичная структура (последовательность мономеров в биополимерах), вторичная струк­тура (биополимерная спираль), третичная структура (определенная организация молекул белка), четвертичная структура (макромолекулярные комплексы молекул белков). В настоящее время молекуляр­ной биологией успешно дешифруется заложенный в структуре нукле­иновых кислот код, служащий матрицей при синтезе специфических белковых структур.

Онтогенетический уровень. Следующий, более сложный, ком­плексный уровень организации жизни на Земле — онтогенетический. Он связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидуумов. Индивид, особь — неделимая и целостная единица жизни на Земле. В многобразной земной органической жизни особи имеют различное морфологическое содержание. Здесь и одноклеточные, состоящие из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т. д. Здесь и многоклеточная особь, образованная из миллионов и миллиардов клеток. Сложность много­клеточных особей неизмеримо выше сложности одноклеточных. Но и одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной орга­низацией и выступают как единое целое.

Причем важно то, что характеристика особи не может быть исчер­пана рассмотрением физико-химических свойств макромолекул, вхо­дящих в его состав. Разделить особь на части без потери «индивиду­альности» невозможно. Это позволяет выделить онтогенетический уровень как особый уровень организации жизни. Таким образом, на онтогенетическом уровне единицей жизни служит особь — с момента ее рождения до смерти.

Развитие особи, последовательность морфологических, физиоло­гических и биохимических преобразований, претерпеваемых орга­низмом от образования зародышевой клетки до смерти составляет содержание процесса онтогенеза. Онтогенез состоит из роста, пере­мещения отдельных структур, дифференциации и усложнения интег­рации организма. По сути, онтогенез — это процесс реализации на­следственной информации, закодированной в управляющих структу­рах зародышевой клетки, а также испытания, проверки согласован­ности и работы управляющих систем во времени и пространстве, присособления особи к среде и др.

Причины развития организма в онтогенезе являются предметом обстоятельного и интенсивного изучения эмбриологами, биохими­ками, генетиками. Многие отрасли биологии изучают процессы и явления, происходящие в особи, согласованное функционирование ее органов и систем, механизм их работы, роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношение органов, поведение организмов, приспособительные изменения и т.п. Пока не создана общая теория онтогенеза, не ясны всепричины и факторы, определяющие строгую организованность этого процесса. Имеющиеся результаты позволяют понять только некоторые отдельные процессы, обеспечивающие индивидуальное развитие организма. Прежде всего это касается изу­чения дифференциации, т.е. образования разнообразных, специали­зированных для выполнения определенных функций частей организ­ма. Элементарными структурами на онтогенетическом уровне орга­низации жизни служат клетки, а элементарными явлениями — какие-то процессы, связанные с их дифференциацией. Онтогенез определяется деятельностью некоторой саморегулирущейся иерар­хической системы, согласованно реализующей наследственные свой­ства и работу управляющих систем в пределах особи.

Вместе с тем до сих пор не известно, почему в онтогенезе строго определенные процессы происходят в должное время и в должном месте. Одна из важнейших проблем современной биологии — выяв­ление закономерностей регуляции внутриклеточных процессов, функций клетки и механизма включения генов в процессе клеточной дифференцировки, ведь в процессе развития каждой клетки в ней работают только те гены, функция которых необходима для развития данной ткани (органа).

Популяционно-видовой уровень. Особи в природе не абсолют­но изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации. Это популяционно-видовой уровень. Он возникает там и тогда, где и когда происходит объединение осо­бей в популяции, а популяций в виды. Популяции - это совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, более или менее изолированную от соседних совокупностей того же вида. Такие объедине­ния характеризуются появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Популяции целостны, хотя состоят из множества особей. Их це­лостность базируется на иных основаниях, чем целостность молеку­лярно-генетического и онтогенетического уровней. Она обеспечива­ется взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетическим материалом в процессе полового размножения. Виды — это системы популяций. Популяции и виды как надындивиду­альные образования способны к существованию в течение длитель­ного времени и к самостоятельному эволюционному развитию.

Популяции выступают как элементарные, далее неразложимые эволюционные единицы, представляющие собой генетически от­крытые системы, так как особи из разных популяций иногда скрещи­ваются и популяции обмениваются генетической информацией. На популяционно-видовом уровне особую роль играет свободное скре­щивание между особями внутри популяции и вида. Виды являются наименьшими генетически закрытыми системами, поскольку скре­щивание особей разных видов в природе в подавляющем большинст­ве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства.

Популяция — основная элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление на этом уровне — изменение генотипического состава популяции; элементарный материал на этом уровне — мутации. В синтетической теории эволюции выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать определенное воздействие на популяцию и вызвать изменения в генотипическом составе попу­ляции.

Популяции и виды, а также протекающий в популяциях процесс эволюции всегда существуют в определенной природной среде, кон­кретной системе, которая включает в себя биотические и абиотичес­кие факторы. Такая система получила название «биогеоценоз» — это элементарная единица следующего (биогеоценотического) уровня организации жизни на Земле.

Биогеоценотический уровень. Популяции разных видов взаимо­действуют между собой. В ходе взаимодействия они объединяются в сложные системы — биоценозы. Биоценоз - совокупность растений, жи­вотных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся опреде­ленными взаимосвязями между собой. Компоненты, образующие биоце­ноз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные систе­мы (сообщества) — биогеоценозы.

Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) - взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обме­ном веществ и энергией. Биогеоценоз — одна из наиболее сложных природных систем, продукт совместного исторического развития многих видов растений и животных, в ходе которого виды приспо­сабливались друг к другу. Структура биогеоценоза меняется в ходе эволюции видов.

Биогеоценоз — это целостная система. Виды в биогеоценозе дей­ствуют друг на друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). Выпадание одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к разрушению целостности биогеоценоза, что часто ведет к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы. В целом жизнь биогеоценоза регулируется силами, дей­ствующими внутри самой системы, т.е. можно говорить о саморегу­ляции биогеоценоза. В то же время биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую каналы вещества и энергии, связы­вающие соседние биогеоценозы. Обмен веществ и энергией между соседними биогеоценозами может осуществляться в разных формах: газообразной, жидкой и твердой, а также в форме миграции животных.

Биогеоценоз — уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система, которая является результатом длительной и глубо­кой адаптации составных компонентов. Устойчивость его пропорциональна многообразию его компонентов: чем многообразнее биогео­ценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами, гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктичес­кого поясов, так как тропические биогеоценозы состоят из гораздо большего множества видов растений и животных, чем умеренные и тем более арктические биогеоцнозы.

Высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах; каждая экосистема неизмен­но содержит как простые, так и сложные компоненты. Биогеоценоз только из бактерий или деревьев никогда не сможет существовать, как нельзя представить экосистему, населенную лишь позвоночными или млекопитающими. Таким образом, низшие организмы в экосис­теме — это не какой-то случайный пережиток прошлых эпох, а необходимая составная часть биогеоценоза, целостной системы органи­ческого мира, основа его существования и развития, без которой не возможен обмен веществом и энергией между компонентами биогео­ценоза.

Абиотическими компонентами биогеоценозов являются атмо­сфера, солнечная энергия, почва, вода. Первичной биотической основой для сложения биогеоценозов служат автотрофы — зеленые растения и микроорганизмы, хемосинтетики, производящие орга­ническое вещество. Автотофные растения и микроорганизмы пред­ставляют жизненную среду для гетеротрофов — животных, грибов, большинства бактерий, вирусов. Поэтому и границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ (фитоценозов) *. Но и животные впоследствии начинают играть важную роль в жизни растений: они осуществляют опыление, распростра­нение плодов, участвуют в круговороте веществ и т.д. Так склады­вается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

* Автотрофы, и прежде всего фотосинтетики, играют поистине космическую роль на Земле. Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют роль космического очага энергии на Земле. Ежегодно расте­ния образуют до 100 млрд т органических веществ и фиксируют до 10 кДж энергии солнечной радиации. При этом растения усваивают из атмосферы до 170 млрд т углекислого газа и разлагают до 130 млрд т воды, выделяя до 115 млрд т свободного кислорода. Таким образом, жизнь на Земле полностью зависит от фотосинтеза. Учение о фотосинтезе было создано нашим соотечественником — великим ботаником К.А. Тимирязевым.

Вся совокупность связанных между собой круговоротам веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образуют мощную систему биосферы Земли. Верхняя граница жизни в атмосфере достигает при­мерно 25—30 км, нижняя граница в земной коре сосредоточена в самом верхнем ее слое — до 10 м. (Хотя отдельные виды микроорга­низмов встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км.) В гидросфере (океаны и моря) зона, богатая живыми организмами, занимает слой воды до 200 м, но некоторые организмы обнаружены и на максимальной глубине глубоководных океанских впадин — до 11 км. Таким образом, «пленка жизни» на Земле достаточно тонкая и дости­гает всего лишь около 40 км. Она ограничена интенсивным потоком губительных ультрафиолетовых лучей за пределами озонового слоя в тропосфере и высокой температурой земных недр (на глубине 3 км она может достигать 100° С).

Благодаря деятельности растений биосфера стала аккумулятором солнечной энергии. Живые организмы представляют собой самую важную биохимическую силу, которая преобразует земную кору. Мас­штабы деятельности живых организмов поистине грандиозны. О них свидетельствуют тысячеметровые толщи известняка, огромные зале­жи каменного угля, мощные биогенные породы и т.п. Именно живое вещество определило состав атмосферы, осадочных пород, почвы, гидросферы. Благодаря этому неузнаваемо изменился внешний облик планеты.

Между неорганической и органической материей на Земле суще­ствует постоянный кругооборот вещества и энергии, в котором про­является закон сохранения массы и энергии: каждое живое существо благодаря следующим цепям питания (особенно бактериям) после окончания жизненного цикла возвращает природе все, что взяло от нее в течение жизни. Именно кругооборот вещества и энергии обес­печивает продолжительность существования жизни, потому что иначе на Земле запасы необходимых элементов были бы очень бы­стро исчерпаны. Рассматривая биосферу Земли как единую экологи­ческую систему, можно убедиться, что живое вещество Земли сущест­венно не уменьшается и не увеличивается в массе, а только переходит из одного состояния в другое.

Раздел биологии, изучающий экологические, системы (биоценозы, биогеоценозы) называется биогеоценология. Основателем ее был выдающийся отечественный ученый В.Н. Сукачев, учение о био­сфере создал наш великий мыслитель В.И. Вернадский.

Таким образом, молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и биоценотический уровни — четыре основ­ных уровня организации жизни на Земле.