Уровни организации и изучения жизненных явлений

Для живой природы характерно сложное, иерархич. соподчинение уровней организации её структур. Вся совокупность органич. мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, к-рая складывается из биогеоценозов - областей с характерными природными условиями, заселённых определёнными комплексами (биоценозами) организмов; биоценозы состоят из популяций - совокупностей животных или растит, организмов одного вида, живущих на одной территории; популяции состоят из особей; особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками; клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, к-рые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше-и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответств. отраслями совр. Б.

На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, мн. разделами вирусологии, микробиологии изучаются физ.-хим. процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко- и высокомолекулярных органич. соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные к-ты и др.). На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществом, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Уже выяснены осн. пути обмена, важнейшая особенность к-рых - участие биол. катализаторов -белков-ферментов, строго избирательно осуществляющих определённые хим. реакции. Изучено строение ряда белков и нек-рых нуклеиновых к-т, а также мн. простых органич. соединений. Показано, что хим. энергия, освобождающаяся в ходе биол. окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией (макроэргических) соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.), и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.). Крупный успех Б.-открытие генетического кода. Наследственные свойства организма " записаны" в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) четырьмя видами чередующихся в определённой последовательности мономеров-нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться (самокопироваться) обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам. Реализация наследственной информации происходит при участии синтезируемых на матричных молекулах ДНК молекул рибонуклеиновой кислоты -РНК, к-рые переносятся от хромосом ядра на специальные внутриклеточные частицы - рибосомы, где и осуществляется биосинтез белка. Т. о., закодированная в ДНК наследственность контролирует через белки-ферменты как структурные белки, так и все осн. свойства клеток и организма в целом.

Биол. исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифугирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хроматография). Взаимное прострайственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путём введения соединений, содержащих радиоактивные атомы. Важным методом является также создание искусственных модельных систем из выделенных клеточных компонентов, где частично воспроизводятся процессы, идущие в клетке. (Все биохимич. процессы в клетке происходят не в однородной смеси веществ, а на определённых клеточных структурах, создающих пространственную разобщённость различных одновременно протекающих реакций.)

При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определённым образом подобранных и ориентированных молекул, Б. поднимается на следующий уровень организации жизни -клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их подразделения (кариология, цитогенетика, цито- и гистохимия, цитофизиология и др.), а также мн. разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка -осн. самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Мн. организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются её компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и, следовательно, ответственные за сохранение я передачу дочерним клеткам наследственных свойств. Энергетич. обмен в клетке -дыхание, синтез АТФ и др.- происходит гл. обр. в митохондриях. Поддержание хим. состава клетки, активный транспорт веществ в неё и из неё, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функцией, сочетание неск. тканей- орган. Строение и функции тканей и органов в основном определяются свойствами специализированных клеток.

Исследованиями на клеточном уровне выяснены осн. компоненты клетки, строение различных клеток 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 разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски и др. (см. Микроскопия). Локализацию в клетке различных хим. веществ и ферментов выявляют цветными гистохимич. реакциями, места синтеза макромолекул - авторадиографией. Электронная микроскопия позволяет различать структуры порядка 5-10 А, т. е. вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функция внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных (гомогенизированных) клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма (см. Культуры тканей), пользуясь микроманипуляторами и методами микрургии, производят обмен ядрами между клетками, слияние (гибридизацию) клеток и т. д.

На уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи (индивидууме) и определяющие согласованное функционирование её органов и систем. Этот уровень исследуют физиология (в т. ч. высшей нервной деятельности), эндокринология, иммунология, эмбриология, экспериментальная морфология и мн. др. отрасли Б. Для создания общей теории онтогенеза особенно интересны исследования, направленные на вскрытие причинных механизмов становления биол. организации, её дифференцировки и интеграции, реализации генетич. информации в онтогенезе. На этом уровне изучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния 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 значит, мере эта взаимосвязь (интеграция) частей организма определяется функцией желез внутренней секреции. Так, поджелудочная железа и надпочечники через гормоны - инсулин и адреналин - регулируют накопление гликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципу обратной связи - одна железа (напр., гипофиз) активирует функцию другой (напр., щитовидной железы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постоянную концентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желез. Ещё более высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с её центральными отделами, органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организм получает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатывается центр, нераной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма.

Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получили электрофизиологические, состоящие в отведении, усилении и регистрации биоэлектрических потенциалов. Эндокринная регуляция изучается в основном биохимич. методами (выделение и очистка гормонов, синтез их аналогов, изучение биосинтеза и механизмов действия гормонов и др.). Исследования высшей нервной деятельности животных и человека включают её моделирование, в т. ч. с применением средств кибернетики, а также экспериментальный анализ поведения (предъявление задач, выработка условных рефлексов и т. д.).

На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли Б. изучают элементарную единицу эволюц. процесса - популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определенную территорию и в б. или м. 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 генетич. отношении). В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в неё организмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу. Единство популяции определяется потенциальной способностью всех входящих в её состав особей скрещиваться (панмиксия), а значит -и обмениваться генетич. материалом. Половое размножение, характерное для большинства обитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетич. строения всех сочленов популяции, так и возможность многократного увеличения генетич. разнообразия посредством комбинации наследственных элементов. Изоляция одной популяции от других делает возможным существование в процессе эволюции такого " разнообразного единства". Для организмов, размножающихся бесполым путём (посредством вегетативного размножения, партеногенеза или апомиксиса), морфо-физиологич. единство популяций определяется опять-таки общностью их генетич. состава. Однако в отношении таких бесполых, вегетативно или простым делением размножающихся организмов в строгой форме не применимо понятие вида. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано и с молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами. При этом генетика своими методами изучает характер распределения наследственных особенностей в популяциях; морфология, физиология, экология и др. отрасли Б. исследуют популяцию своими методами. Т. о., популяция и вид как целое могут служить объектами исследования самых разных отраслей Б.

На биогеоценотическом и биосферном уровне объектом изучения биогеоценологии, экологии, биогеохимии и др. отраслей Б. служат процессы, протекающие в биогеоценозах (часто наз. экосистемами) - элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. Каждая популяция существует в определённой среде и составляет часть многовидового сообщества -биоценоза, занимающего определённое местообитание - биотоп. В этих сложных комплексах живых и косных компонентов первичными продуцентами органич. вещества служат фотосинтсзирующие растения и хемосинтезирующие бактерии. Т. о., биогеоценозы - это те " блоки", в к-рых протекают вещественно-энерге-тич. круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот. В структурно-энергетич. смысле биогеоценоз - открытая, относительно стабильная система, имеющая вещественно-энергетич. " входы" и " выходы", связывающие между собой смежные биогеоценозы в цепи. Обмен веществ между биогеоценозами осуществляется в газообразной, жидкой, твёрдой фазах и, по выражению В. И. Вернадского, в своеобразной форме живого вещества (динамика популяций растений и животных, миграции организмов и т. п.). С биогеохимич. точки зрения миграции вещества в цепях биогеоценозов могут рассматриваться как серии сопряжённых процессов рассеивания и концентрирования вещества в организмах, почвах, водах и атмосфере.

Важное практич. значение приобрело во 2-й пол. 20 в. изучение биологической продуктивности биогеоценозов (первичной - утилизации энергии солнечной радиации посредством фотосинтеза, и вторичной - использования гетеротрофными организмами энергии, запасённой автотрофными организмами). Необходимость самостоятельного изучения биогеоценотич. (биосферного) уровня организации живого обусловливается тем, что биогеоценозы - среда, в к-рой протекают любые жизненные процессы на нашей планете. На этом уровне проводятся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения входящих в биогеоценоз биотич. и абиотич. компонентов, выясняющие миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетич. круговоротов. Такой широкий подход, дающий возможность, в частности, предвидеть последствия хоз. деятельности человека, получает распространение и в форме Биологической программы международной, призванной координировать усилия биологов мн. стран.

Концентрация биол. исследований по уровням организации живого предполагает взаимодействие различных отраслей Б., что чрезвычайно продуктивно, т. к. обогащает смежные биол. науки новыми идеями и методами.