§ 2. Основные критерии живого. Уровни организации живой природы. Биологические системы

Определения и обозначения

Живое — организмы и системы, которым свойственна совокупность признаков жизнедеятельности. Единственного признака, который без исключений отделял бы живое от неживого, нет: движение бывает у пламени, а рост — у кристалла. Поэтому объект оценивают сразу по нескольким критериям, например по клеточному строению, обмену веществ, размножению и наследственности. Такой подход помогает не делать вывод только по внешнему сходству.

Биологическая система — целое, образованное взаимосвязанными компонентами, которые обмениваются веществом и энергией и участвуют в саморегуляции. Клетка, организм и экосистема — системы разных масштабов. Связи между их частями позволяют согласовывать процессы и поддерживать работу целого. Это понятие нужно, чтобы объяснять, как взаимодействие частей создаёт свойства системы.

Уровень организации живой природы — ступень организации живого, для которой характерны определённые структурные элементы и процессы. Например, для клеточного уровня это клетки и происходящие в них реакции, а для популяционного — группы особей одного вида и изменения их численности. Уровни помогают упорядочить биологические объекты по сложности и масштабу. При этом они связаны друг с другом, а не существуют изолированно.

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов поступления, преобразования и выделения веществ и энергии, поддерживающих жизнедеятельность. Поступившие вещества клетка использует для построения своих структур и получения энергии, а ненужные продукты выводит. Поэтому обмен — не только приём пищи, но и цепь превращений внутри организма. Без него клетки не могли бы поддерживать свою работу.

Как это устроено

Отдельные признаки не всегда позволяют отличить живое от неживого, потому что похожие явления возникают по разным причинам. Пламя распространяется, но не состоит из клеток и не передаёт наследственную информацию так, как организм; кристалл увеличивается, присоединяя вещества из раствора. У живого же признаки связаны в единую систему: клетка обменивается веществами, организм регулирует работу органов, а наследственный материал передаётся потомству. Поэтому надёжный вывод делают по совокупности критериев, а не по одному заметному проявлению.

Клеточное строение важно потому, что именно в клетках происходят основные процессы жизнедеятельности: превращения веществ, получение и использование энергии, синтез необходимых молекул. Обмен поддерживает работу организма, а саморегуляция согласует её с меняющимися условиями. Например, организм регулирует температуру или содержание воды, чтобы внутренние процессы оставались достаточно стабильными; поддержание относительного постоянства внутренней среды называют гомеостазом. Клетки, ткани и органы выполняют разные функции, но их согласованная работа сохраняет целостность организма.

Рост означает увеличение размеров или массы, а развитие — качественные изменения организма на протяжении жизни. Раздражимостью называют способность воспринимать воздействия и отвечать на них; реакция может быть быстрой, как отдёргивание руки, или менее заметной. Движение у животных проявляется перемещением всего организма, а у растений — например, изменением направления роста побега. Эти проявления различаются, потому что строение и образ жизни организмов неодинаковы, но в каждом случае ответ связан с работой живых систем.

Наследственность — способность организмов сохранять и передавать признаки потомству, благодаря чему потомки сходны с родителями. Информация о многих признаках связана с ДНК, а при размножении она передаётся новым клеткам и организмам. Изменчивость приводит к различиям между особями; её источники включают изменения наследственного материала и влияние условий среды. Если различия наследуются, они могут стать материалом для эволюции популяций под действием естественного отбора.

Уровни организации идут от молекул к биосфере: молекулы образуют клеточные структуры, клетки входят в ткани и органы, а организмы объединяются в популяции и сообщества. На каждом уровне возникают характерные процессы: от реакций молекул и деления клеток до взаимодействия видов и круговорота веществ. Популяция — группа особей одного вида, живущих на общей территории и способных скрещиваться; экосистема объединяет организмы и среду их обитания. Совокупность экосистем Земли образует биосферу, где живое связано с глобальными круговоротами вещества и потоком энергии.

Уровни организации живой природы

Чтобы определить уровень, сначала выясните, что представляет собой объект: молекулу, клетку, организм или группу организмов. Затем проверьте, какие процессы характерны именно для такого масштаба. Если объект состоит из нескольких компонентов нижнего уровня, это ещё не делает его объектом следующей ступени: например, сердце — орган, а не самостоятельный организм.

Разбор задач

Задача 1. Для кристалла, пламени и бактерии определите, какие признаки могут напоминать свойства живого, и обоснуйте, какой объект является организмом.

1. У кристалла есть увеличение размеров: он растёт, присоединяя вещества из раствора. Это напоминает рост организма, но само по себе не подтверждает клеточное строение, обмен и наследственность.
2. Пламя распространяется и потребляет вещества, поэтому внешне напоминает растущую систему с преобразованием энергии. Однако оно не состоит из клеток и не размножается с передачей наследственной информации.
3. Бактерия состоит из клетки, обменивается веществами и энергией, растёт, реагирует на условия и размножается. Сопоставление нескольких критериев, а не одного признака, позволяет отличить её от двух остальных объектов.

Ответ: организмом из перечисленных объектов является бактерия; рост кристалла и распространение пламени лишь напоминают отдельные свойства живого.

Задача 2. Распределите ДНК, клетку кожи, эпителий, сердце, человека и популяцию волков по уровням организации.

1. Определите, что является отдельной молекулой: ДНК относится к молекулярно-генетическому уровню.
2. Клетка кожи — объект клеточного уровня, а эпителий — тканевого, поскольку он образован множеством клеток, совместно выполняющих функции.
3. Сердце состоит из тканей и выполняет функции органа, поэтому его уровень — органный; человек как целостный организм относится к организменному.
4. Группа волков одного вида, живущая на общей территории и размножающаяся, — популяция, то есть популяционно-видовой уровень.

Ответ: ДНК — молекулярно-генетический, клетка кожи — клеточный, эпителий — тканевый, сердце — органный, человек — организменный, популяция волков — популяционно-видовой уровень.

Задача 3. Проследите, как изменение участка ДНК может проявиться на клеточном, организменном и популяционном уровнях.

1. Изменение ДНК — исходное событие на молекулярно-генетическом уровне. Если оно влияет на инструкцию для синтеза белка, может измениться состав или работа этого белка.
2. На клеточном уровне изменение белка способно повлиять на реакцию или функцию клетки. Если такие клетки входят в ткани и органы, последствия могут проявиться в признаках организма, но эффект зависит от роли гена и условий.
3. На популяционном уровне изменение станет заметным, если оно наследуется и передаётся потомкам. Частота такого варианта может меняться в поколениях, например под действием отбора; само появление изменения ещё не означает, что оно распространится.

Ответ: возможная цепочка такова: участок ДНК — работа белка и клетки — признак организма — изменение частоты наследуемого варианта в популяции. Первые последствия относятся к молекулярному и клеточному уровням, а популяционный эффект возникает лишь при передаче варианта потомству.

Типичные ошибки

Ошибка — считать движение или рост доказательством жизни. Её допускают, потому что эти признаки легко заметить и они знакомы по организмам; однако движение бывает у неживых объектов, а кристаллы растут. Проверьте себя: назовите ещё несколько критериев и выясните, проявляются ли они согласованно.

Ошибка — понимать обмен веществ как простое поступление пищи. Так кажется, потому что питание — видимая часть обмена, но вещества ещё должны преобразоваться и использоваться, а продукты жизнедеятельности — удаляться. Для самопроверки задайте три вопроса: что поступает, во что превращается и что выделяется.

Ошибка — путать уровни, принимая орган за организм или популяцию за отдельную особь. Это происходит, когда не учитывают состав объекта: сердце включает ткани, а популяция объединяет множество особей одного вида. Проверяйте, выполняет ли объект функции самостоятельного организма или является его частью либо группой организмов.

Ошибка — представлять уровни как отдельные ступени, не влияющие друг на друга. Такое представление возникает, если запоминать названия уровней без связей между ними. На деле свойства высокого уровня зависят от взаимодействия компонентов нижнего: работа организма связана с клетками, а популяционные изменения — с размножением особей. Проверьте себя, проследив возможное влияние одного изменения от молекулы до организма или популяции.

Связь с другими темами

Для понимания критериев живого нужны знания о строении клетки и роли белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. Они помогают объяснить, как клетка получает вещества, строит свои компоненты и хранит наследственную информацию. Представления об обмене, наследственности и изменчивости понадобятся при изучении клеточных процессов и эволюции. Уровни организации, в свою очередь, помогают разбирать экологические связи, популяции и биосферу.

Что запомнить

• Живое распознают по совокупности критериев, а не по одному признаку.
• Клетка — основная структурная и функциональная единица живого.
• Обмен веществ и энергии поддерживает жизнедеятельность организма.
• Наследственность обеспечивает преемственность признаков, изменчивость — их разнообразие.
• Уровни организации связаны между собой, но каждый обладает характерными свойствами.
• Изменения на одном уровне могут влиять на процессы на других уровнях.