Уровни организации живой материи

Принципы и свойства иерархических систем

Системный подход и концепция структурных уровней (от лат. organizo — придаю стройный вид) являются методологической основой современной биологии. Термин иерархия (от греч. hieros — священный и arche — власть, правление) подразумевает соподчиненность: элементы образуют ступенчатый ряд, где низшие ступени контролируются высшими.

Всем уровням организации присущи базовые черты, отличающие живое от неживого:

• Саморегуляция.
• Самообновление.
• Самовоспроизведение.

Важнейшая особенность многоуровневых систем — появление эмерджентных свойств. Это принципиально новые качества, которые возникают при переходе на каждый новый уровень и отсутствуют у изолированных компонентов системы.

Основные уровни организации живого

Выделяют шесть базовых ступеней развития и функционирования живой материи:

1. Молекулярный. Состоит из биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров). Здесь берут начало важнейшие процессы жизнедеятельности: превращение энергии, обмен веществ и передача наследственной информации.
2. Клеточный. Клетка представляет собой элементарную генетическую, структурную и функциональную единицу развития всех организмов. На этом этапе продолжается превращение веществ и передача информации.
3. Организменный. Единицей выступает особь, которая рассматривается в непрерывном развитии — от момента зарождения до смерти. У многоклеточных организмов на этом уровне формируются ткани, органы и системы органов. Благодаря строгой специализации клеток такие организмы функционируют в окружающей среде более активно, продуктивно и устойчиво.
4. Популяционно-видовой. Это уже надорганизменная система. Она включает совокупность организмов одного вида, которые объединены общим местом обитания (популяцию) и панмиксией. Именно здесь осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
5. Биогеоценотический. Биогеоценоз представляет собой сложную совокупность организмов различных видов и разного уровня организации, которые неразрывно связаны с факторами среды их обитания.
6. Биосферный. Совокупность всех биогеоценозов планеты. В рамках этой глобальной экосистемы происходит круговорот веществ и превращение энергии, обусловленные жизнедеятельностью всех организмов Земли.

Уровни изучения многоклеточного организма

При исследовании многоклеточных объектов применяется более дробная классификация. Она базируется на размерах структур, самом объекте и методе, с помощью которого этот объект изучается:

• Анатомический метод (организменный и органный уровни). Изучает организм в целом и отдельные органы. Размеры объектов составляют 0,1 мм (100 мкм) и более.
• Гистологический или светооптический метод (тканевой уровень). Направлен на исследование тканей. Размеры структур: от 100 до 10 мкм.
• Цитологический метод (клеточный уровень). Объектом выступают прокариотические и эукариотические клетки. Их размеры варьируют в пределах 20–0,2 мкм (или до 200 нм).
• Ультраструктурный или электронно-микроскопический метод (субклеточный уровень). Позволяет изучать отдельные клеточные компоненты размером от 200 до 10 нм.
• Физико-химический метод (макромолекулярный уровень). Исследует биополимеры, размеры которых составляют всего 10–1 нм.

Эволюционные причины возникновения уровней

Появление новых структурных уровней — это закономерное следствие эволюции, отражающее переход живой материи в качественно новое состояние. Взаимодействие со средой присутствует на каждом этапе, но чем выше уровень, тем эти взаимодействия сложнее и эффективнее.

Математическое обоснование доказывает явные преимущества иерархических систем перед неиерархическими (при равном числе исходных компонентов):

• Они формируются и развиваются значительно быстрее.
• Элементы в них более управляемы, так как нижележащие ступени контролируются вышестоящими.
• Системы обладают высокой пластичностью и устойчивостью к внешним нарушениям.

Механизм формирования нового уровня: По мере роста размеров системы и увеличения числа ее элементов механизмы отрицательной обратной связи неизбежно начинают запаздывать. Из-за этого резко снижается эффективность саморегуляции, падает устойчивость и возникает риск разрушения системы. Появляется острая необходимость в повышении управляемости. Результатом становится формирование нового структурного уровня, главная цель которого — ускорить действие отрицательных обратных связей.

В масштабах всей биосферы многоуровневость обеспечивает строгую организованность живого, повышает эффективность его функционирования и снижает неупорядоченность (энтропию).

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизмы запаздывания отрицательной обратной связи при росте биологических систем
• Специфика эмерджентных свойств на биогеоценотическом и биосферном уровнях
• Математическое обоснование устойчивости и пластичности иерархических систем
• Особенности панмиксии на популяционно-видовом уровне

Другие темы раздела «Биология — наука о жизни, введение в биологию»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.