Уровни организации и изучения жизненных явлений

Для живой природы нашей планеты характерно сложное, иерархическое соотношение уровней организации. Весь органический мир и окружающая среда образует биосферу, которая, в свою очередь состоит из биогеоценозов (экосистем) — территорий с характерными природными условиями и определёнными растительными и животными комплексами (биоценозами). Биоценозы образованы популяциями — группами растительных и животных организмов одного вида, живущими на определённой территории и способнымы к произведению. Популяции состоят из представителей конкретных видов (особей), способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Многоклеточные организмы состоят из органов и тканей, образованных клетками. Одноклеточные организмы и клетки образованы внутриклеточными структурами, которые состоят из молекул.

Исходя из этого, выделяют несколько уровней организации живой материи.

Для каждого уровня организации живых организмов характерны свои закономерности, связанные со своими конкретными принципами организации, особенностями взаимоотношения с другими уровнями.

Общая биология изучает основные закономерности жизненных явлений, которые происходят на различных уровнях организации живого. Рассмотрение организации живой материи начинается из выяснения строения и свойств сложных органических молекул. Клетки многоклеточных организмов входят в состав тканей, две или несколько тканей формируют орган. Многоклеточный организм имеет сложное строение, который состоит из тканей и органов, в то же время есть элементарной единицей биологического вида. Взаимодействуя между собой виды составляют сообщество, или экологическую систему, которая, в свою очередь, является одним из компонентов биосферы.

Каждый уровень организации организмов изучают соответствующие отрасли биологии.

Молекулярный уровень

Молекулярная биология, молекулярная генетика, физиология, цитохимия, биохимия, биофизика, определённые разделы вирусологии, микробиологии изучают физико-химические процессы, происходящие в живом организме (синтез, разложение и взаимные преобразования белков, нуклеиновых кислот, полисахариды, липидов и других веществ в клетке; обмен веществ, энергии и информации, которые регулируют эти процессы).

Такие исследования живых систем показали, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органических соединений, которые в неживой природе практически невозможно обнаружить. Для живых организмов наиболее характерны такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды (жироподобные соединения) и составляющие их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, жирные кислоты). Так же, на этом уровне изучается синтез, распад и взаимные преобразования этих соединений в клетках, обмен веществ, энергии и информации, регуляция данных процессов.

В результате подобных исследований было выяснено, что важнейшая особенность основных путей обмена — действие биологических катализаторов — ферментов (соединений белковой природы), которые строго избирательно влияют на скорость химических реакций. Так же изучено строение некоторых аминокислот, ряда белков и многих простых органических соединений. Установлено, что химическая энергия, которая освобождается в ходе биологического окисления (процессы дыхания, гликолиза), запасается в виде богатых на энергию соединений (в основном - аденозинфосфорные кислоты АТФ, АДФ и др.), а потом используется в процессах, которые требуют поступления энергии (мышечные сокращения, синтез и транспорт веществ). Крупным успехом стало открытие генетического кода. Выяснено, что закодированная в ДНК наследственность через белки-ферменты контролирует как структурные белки, так и все основные свойства клеток и организма в целом.

Исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, раскрытия их взаимосвязи между собой.

Используемые методы исследования на молекулярном уровне:

• электрофорез (для разделения макромолекул с использованием их различия в зарядах);
• ультрацентрифугирование (для разделения макромолекул с использованием их различия в плотности и размерах);
• хроматография (для разделения макромолекул с использованием их различия в адсорбционных свойствах);
• рентгеноструктурный анализ (изучают взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах);
• радиоизотопы (исследование путей превращения веществ, скорости их синтеза и распада);
• искусственное моделирование систем из выделенных клеточных элементов (воспроизведение процессов, идущих в клетке — все биохимические процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах).

Клеточный уровень

На клеточном уровне цитология, гистология, и их отделы (кариология, цито- и гистохимия, цитофизиология, цитогенетика), многие разделы физиологии, микробиологии и вирусологии изучают строение клетки и внутренних клеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в тканях и органах организма. Свободноживущих неклеточных форм жизни не существует.

Клетка — основная самостоятельная функциональная и структурная единица многоклеточного организма. Существуют одноклеточные организмы (водоросли, грибы, простейшие, бактерии). Также клетка есть единицей развития всех живых организмов, которые существуют на Земле. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции.

Благодаря исследованиям на клеточном уровне изучены основные компоненты клетки, строение клеток и тканей, их изменения в процессе развития.

Методы исследования на клеточном уровне:

• микроскопия (световой микроскоп позволяет видеть объекты до 1 мкм);
• цветные гистохимические реакции (выявление локализации в клетке различных химических веществ и ферментов);
• авторадиография (выявление в клетке мест синтеза макромолекул);
• электронная микроскопия (различение структур вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднительно из-за недостаточной контрастности изображения);
• центрифугирование (изучение функций внутриклеточных компонентов - их выделяют из разрушенных (гомогенизированных) клеток);
• культура тканей (исследование свойств клеток);
• микрохирургия (обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизация) клеток.

Тканевый уровень

Ткань есть совокупностью сходных за строением клеток, объединённых исполнением общей функции. Сотни разнообразных клеток входят в составляют тело разнообразных многоклеточных организмов. Разнообразные клетки животных образуют $4$ типа тканей: нервную, соединительную, эпителиальную и мышечную. У растений различают образующие и постоянные ткани. К постоянным тканям относятся покровные, проводящие, механические и основная ткань.

Органный уровень

Группы разных органов коллективно функционируют для исполнения общей для организма функции. У человека есть такие системы органов: пищеварительная, дыхательная, сердечно — сосудистая, нервная, секреторная, выделительная, репродуктивная, Эндокринная, мышечная, скелетная и система покровных тканей. Каждый отдельный орган системы исполняет конкретную функцию, но все вместе работают как одна «команда», обеспечивая максимальную эффективность всей системы. Все системы органов функционируют во взаимосвязи и регулируются нервной и эндокринной системами. Нарушение функционирования любого органа приводит к патологии всей системы и даже организма.

Организменный уровень

Физиология (растений и животных, высшей нервной деятельности), экспериментальная морфология, эндокринология, эмбриология, иммунология, а также ещё рад других биологических отраслей изучают процессы и явления, происходящие в особи, и согласованное функционирование её органов и систем.

На этом уровне для создания общей теории онтогенеза проводятся исследования, направленные на раскрытие причинных механизмов становления биологической организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетической информации в онтогенезе. Также изучаются механизмы работы органов и их систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную и гуморальную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и др.

На этом уровне изучаются также механизм работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимоотношения органов, поведение организмов, приспособительные изменения.

В данный момент применяются методы исследования:

• электрофизиологические (состоят в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов);
• биохимические (проводится изучение эндокринной регуляции — выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов);
• кибернетические (исследование ВНД животных и человека методом моделирования);
• экспериментальные ( выработка условных рефлексов, постановка задач).

Популяционно — видовой уровень

Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано с молекулярным, клеточным и организменным уровнями.

Методами исследования являются методы тех наук, которые изучают конкретно поставленные на этом уровне вопросы:

• генетические методы — характер распределения наследственных особенностей в популяциях;
• морфологические
• физиологические
• экологические.

Популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных биологических отраслей.

Биогеоценотический, или биосферный, уровень

На этом уровне ведутся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения биотических и абиотических компонентов, которые входят в состав биогеоценоза; изучается движение живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов. Такой подход даёт возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека и в форме международной программы «Человек и биосфера» координировать усилия биологов многих стран.

Важное практическое значение имеет изучение биологической продуктивности биогеоценозов (утилизации энергии солнечной радиации путём фотосинтеза и использования гетеротрофными организмами энергии, запасённой автотрофами).