Биология как наука. Часть 1

На этой странице вы узнаете

• Как организм без нервов может быть “раздражительным”?
• Как выучить уровни организации жизни с помощью матрешки?

Со словом “биология” мы знакомы еще с раннего детства, и даже сейчас, будучи взрослыми, часто им пользуемся. Этим термином мы пытаемся оправдать многие события в жизни. Прокрастинация — во всём виновата биология мозга, предменструальный синдром — ох уж эта женская природа. Так что же такое биология? С этим вопросом мы разберемся в данной статье.

Что такое “биология”? Признаки живого

Биология — это наука о жизни. 

Она изучает особенности живых организмов и систем, образуемых ими. 

По каким критериям можно определить, что организм живой? 

Можно потыкать палкой. Но такой метод считается ненаучным. Давайте лучше разберемся по характеристикам.

Вирусная частица и пылинка движутся по воздуху примерно с одинаковой скоростью, обе не проявляют никаких признаков активности. Но вирион считается формой жизни, а пылинка — нет… почему? 

Биологи составили перечень признаков живого, своеобразных критериев, по которым можно “найти” жизнь. К ним относятся:

1. Обмен веществ и энергии с окружающей средой

К проявлениям этого свойства относятся дыхание, выделение тепла и питание организмов. Если организм что-то получает извне, или отдает во внешнюю среду — происходит метаболизм.

Метаболизм — обмен веществ.

У некоторых форм жизни (вирусных частиц, цист простейших и спор бактерий) обмен веществ с внешним миром не происходит совсем или протекает замедленно. Причина медленного метаболизма в неблагоприятных условиях среды — если нечего кушать, то и питаться нужно экономно.

Обмен веществ нормализуется при попадании организма в благоприятные жизненные условия. Именно поэтому медицинские инструменты не промораживают, а кипятят перед использованием. При высоких температурах бактерии погибают, а при низких — образуют споры, что даёт им возможность в дальнейшем продолжить свою жизнедеятельность. 

2. Рост и развитие

Далеко не все организмы способны увеличиваться в размерах после своего появления, но все они развиваются: даже у одноклеточных форм в процессе старения возникают или редуцируются какие-то органоиды.

Редукция — упрощение или полное исчезновение какого-то органа в процессе эволюции. 

У паразитических червей за ненадобностью утрачивается пищеварительная система. Незачем самому переваривать пищу, если ты и так плаваешь в кашице из питательных веществ. У подземных животных, например, у крота, очень плохое зрение — всё равно в темноте оно бесполезно.

3. Дискретность и целостность

Дискретность — наличие подлежащих структурных единиц.

Целостность — взаимосвязь этих единиц. 

Любой живой организм состоит из каких-то частей: многоклеточное животное состоит из клеток, одноклеточное — из органоидов, погруженных в цитоплазму и покрытых мембраной. Этот факт является доказательством того, что все организмы дискретны.

В свою очередь утрата какого-либо компонента организма приводит к патологии (а иногда даже к гибели). Следовательно, организмы целостны, и все их структурные части взаимосвязаны. 

Можно провести аналогию с клавиатурой. Она является дискретным организмом: её тело состоит из множества кнопок. Она является целостным “организмом”: вместе все кнопки помогают набирать текст или код. Но стоит вашему котику опрокинуть чашку с чаем на клавиатуру, как какие-то кнопки выходят из строя. И тогда это приводит к патологии: нормальный текст уже не наберешь, клавиатура становится бесполезной. Целостность нарушается.

4. Наследственность и изменчивость

Живые организмы наследуют характеристики родительских особей, а в результате мутаций у них могут появляться и новые признаки. Наследственная изменчивость очень важна, она помогает организмам приспосабливаться к новым условиям обитания. 

Однако не всегда мутации бывают полезными: есть и вредные, и нейтральные изменения генотипа. Пример полезной мутации — появление темной окраски у бабочки березовой пяденицы, живущей в городе. В городских условиях больше тёмных объектов, и такой окрас помогает ей прятаться от хищников. Вредные мутации вызывают заболевания, например, гемофилию или ихтиоз. 

К нейтральным мутациям можно отнести гетерохромию — разную окраску радужек глаз. Для эволюции нет особого значения, какие у вас глаза: карие, голубые или “голубо-карие”.

5. Гомеостаз или саморегуляция

Гомеостаз — поддержание постоянства внутренней среды. 

Каждая биологическая система старается сохранять внутреннюю среду в относительно неизменном виде.

К проявлениям саморегуляции относятся поддержание температуры тела у некоторых животных, постоянный химический состав клетки, способность к регенерации.

Регенерация — восстановление утраченных или повреждённых участков тела. Например, ящерица, которой наступили на хвост, может вырастить взамен новый.

6. Раздражимость

Живые тела способны реагировать на раздражения, поступающие из внешней среды. Например, если мы ощутим жар горячего предмета, мы отдернем от него руку. Такой вид раздражимости называется рефлексом, он связан с деятельностью нервной системы. 

Это помогает организму ориентироваться в окружающей среде, искать пищу, укрываться от непогоды и врагов. То есть выживать в меняющихся условиях среды.  

Рефлекс — реакция на раздражитель, обусловленная работой нервной системы.

Как организм без нервов может быть “раздражительным”? Для организмов, не имеющих нервной системы, характерен другой вид раздражимости — таксисы. Различают фото- и хемотаксисы. Первые являются ответом на изменение интенсивности освещения. Например, эвглена зеленая, способная к автотрофному питанию, будет двигаться навстречу свету, потому что для неё это выгодно — так она сможет эффективнее фотосинтезировать.

Хемотаксис — ответ на изменение химического состава внешней среды. 

Движение амёбы к каплям питательного бульона или от кристалла соли — примеры хемотаксисов.

7. Размножение

Все живые организмы стремятся к увеличению численности популяции и сохранению существования вида в целом

Различают три типа размножения:

• половое, 
• бесполое
• вегетативное. 

В половом размножении участвуют половые клетки — гаметы. Главная его цель — поставка новых признаков для эволюции вида.

В бесполом — специализированные органы — споры. Его главная цель — сохранение уже имеющихся признаков, позволяющих виду успешно существовать в относительно постоянных условиях. 

А вот вегетативное размножение протекает без образования особых структур.

8. Сходное химическое строение

Клетки всех живых организмов состоят преимущественно из воды и органических соединений: 

• белков,
• жиров, 
• углеводов, 
• нуклеиновых кислот. 

Поэтому в любом живом организме в очень больших концентрациях присутствуют углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О) и фосфор (Р) — компоненты органических веществ. Такие элементы называются органогенами: они незаменимы и есть в каждой живой клетке без исключения.

Помимо органогенов, в клетке имеются макро- и микроэлементы — неорганические вещества. Их присутствие тоже очень важно для нормального протекания процессов жизнедеятельности. Отличаются эти соединения процентным содержанием — концентрацией.

Группа	Примеры	Концентрация, %
Макроэлементы	O, C, H, N, P (органогены) Ca, K, Si, Mg, S, Na, Cl, Fe	98 — 99 1 — 2
Микроэлементы	Mn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo	0,1
Ультрамикроэлементы	Se, U, Hg, Ra, Ag, Au	меньше 0,01

Уровни организации жизни

Уровни организации жизни выделяются для того, чтобы понимать, в рамках какой ступени развития исследователь изучает живой объект. 

К примеру, ученые-генетики изучают молекулярный уровень организации жизни, а экологи — популяционно-видовой и экосистемный (иногда затрагивая биосферный). 

Как выучить уровни организации жизни с помощью матрешки? Уровни организации живого можно наглядно представить в виде матрешки: каждый небольшой уровень входит в состав более крупного. Например, молекулярный уровень находится внутри клеточного, клеточный — внутри органно-тканевого и так далее

Различают следующие уровни организации жизни:

1. Молекулярный уровень 

Молекулярный уровень представляет собой совокупность взаимодействующих молекул органических веществ. На этом уровне происходят такие процессы, как окисление углеводов, репликация ДНК.

2. Органоидный, или субклеточный уровень 

Он включает в себя отдельную органеллу клетки и процессы, происходящие в ней. Например, формирование ламелл из тилакоидов в хлоропласте, синтез субъединиц рибосомы в ядре.

3. Клеточный уровень 

Клеточный уровень состоит из одной клетки. У одноклеточных организмов он совпадает с организменным, так как в этом случае весь организм состоит из одной клетки. 

К примерам клеточного уровня организации относятся нейрон и эритроцит человека, клетка паренхимы картофеля. 

4. Органно-тканевый уровень

В многоклеточном организме клетки дифференцируются (становятся разными по строению и функциям) и объединяются в ткани и органы. 

На этом уровне происходит всасывание продуктов обмена жиров в лимфу в кишечнике, функционирование сердечных клапанов и многие другие процессы.

5. Организменный уровень 

Организменный уровень включает в себя целостный организм. 

Примеры процессов, происходящих в организме: переваривание пищи, рефлекс. Такие процессы охватывают несколько органов или систем.

6. Популяционно-видовой уровень 

Популяция — группа особей одного вида, населяющих одну территорию.

На популяционно-видовом уровне мы можем наблюдать внутривидовую конкуренцию сосен в лесу, увеличение численности прудовых лягушек в водоёме.

7. Экосистемный, или биогеоценотический уровень

Взаимодействия разных популяций между собой рассматривает экосистемный (или биогеоценотический) уровень организации жизни. 

На данном уровне мы можем наблюдать межвидовую конкуренцию сосен и ёлок в заповеднике, взаимоотношения прудовой и озёрной лягушки в пруду, особенности охоты группы волков на мелких грызунов.

8. Биосферный уровень

Биосфера — живая оболочка Земли. 

Она объединяет все существующие на планете экосистемы и рассматривает их взаимодействие. 

К процессам, происходящим на биосферном уровне, относятся круговорот азота в природе, разрушение озонового слоя, глобальное потепление, таяние ледников.

Круговорот азота в природе (Январь КЗ №7, стр. 3)

Фактчек

• Биология — это наука о жизни, которая рассматривает тонкости существования живого во всех его проявлениях. 
• Для того, чтобы отличить живой организм от неживого, нужно применить к нему критерии жизни.
• К свойствам живого относятся: обмен веществ, дискретность и целостность, открытость, раздражимость, наследственность и изменчивость, размножение.
• Выделяют молекулярный, клеточный, органно-тканевый, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный уровни организации живого.

Проверь себя

Задание 1.
Какое свойство живого иллюстрирует положительный хемотаксис амёбы к питательному субстрату?

1. раздражимость
2. развитие
3. дискретность
4. целостность

Задание 2.
Хлорелла — одноклеточная водоросль. Организменный уровень организации жизни у неё совпадает с…

1. субклеточным
2. молекулярным
3. клеточным
4. органно-тканевым

Задание 3.
Выберите верное окончание предложения. Все организмы дискретны, то есть…

1. состоят из дифференцированных клеток
2. наследуют признаки родительских особей
3. размножаются
4. состоят из структурных единиц

Задание 4.
Какое свойство живого проявляется при дыхании человека? 

1. обмен веществ
2. раздражимость
3. размножение
4. наследственность

Задание 5. 
На каком уровне организации жизни происходит межвидовая конкуренция зайца-русака и белки в лесу? 

1. организменный
2. популяционно-видовой
3. экосистемный
4. биосферный

Ответы: 1 — 1; 2 — 3; 3 — 4; 4 — 1; 5 — 3.