§ 2. Разнообразие биологических систем и процессов

Определения и обозначения

Биологическая система — совокупность взаимосвязанных элементов, образующая целое и взаимодействующая с окружающей средой. Такой взгляд помогает изучать не только отдельные части, но и то, как они действуют сообща. К биологическим системам относят клетку, организм, популяцию и экосистему.

Биологический процесс — закономерная последовательность изменений, происходящих в живых системах. Он описывает, как система работает или меняется во времени: например, как клетка получает энергию. Понятие процесса нужно, чтобы объяснять не только устройство живого, но и его функционирование.

Уровень организации жизни — ступень организации живой природы, отличающаяся масштабом и характерными свойствами. Например, клеточный уровень включает клетки, а организменный — целые организмы. Это понятие помогает упорядочить живые объекты и сравнивать их по масштабу.

Биологическое разнообразие — многообразие живых систем и процессов на разных уровнях организации. Оно проявляется как в различии организмов и сред обитания, так и в многообразии способов жизнедеятельности. Понятие позволяет видеть не только отдельные примеры, но и разнообразие жизни в целом.

Как это устроено

Организмы и другие объекты биологии рассматривают как системы, потому что их части связаны между собой и выполняют согласованные функции. Если один элемент меняется или перестаёт работать, это может повлиять на остальные элементы и на целое. Например, нарушение работы органа сказывается на организме, поскольку органы обеспечивают разные стороны его жизнедеятельности. Связь с окружающей средой тоже важна: система получает вещества и энергию и отвечает на изменения условий.

Системы образуют иерархию: понятие «иерархия» означает расположение ступеней от меньших к большим. Молекулы входят в состав клеток, клетки образуют ткани и входят в состав многоклеточного организма. Организмы одного вида могут составлять популяцию, а сообщества организмов вместе со средой — экосистему. Такая последовательность нужна, чтобы прослеживать, из каких частей складываются более крупные системы и как те включают в себя нижележащие.

Свойства системы не всегда можно вывести из свойств её элементов по отдельности. Это происходит потому, что взаимодействие частей создаёт новые возможности и функции: отдельные молекулы сами по себе не выполняют всего того, что делает клетка. Целое зависит от состава, но также от связей и порядка взаимодействий между элементами. Поэтому, чтобы понять работу системы, нужно изучать и её части, и то, как они организованы.

Биологические процессы идут на разных уровнях и могут быть связаны между собой. На молекулярном уровне происходят химические реакции, а на клеточном их согласованная работа обеспечивает обмен веществ и другие функции клетки. Действия клеток поддерживают работу органов и организма, а процессы в организмах могут менять условия жизни в экосистеме. Такая связь объясняет, почему последствия изменения на одном уровне иногда обнаруживаются на другом.

Разнообразие систем и процессов помогает описать и единство живой природы, и различия между её компонентами. На разных уровнях встречаются разные по масштабу системы, но во всех случаях важны взаимодействия элементов и обмен с окружающей средой. При этом каждая система имеет характерные особенности, которые зависят от её состава и организации. Сопоставляя системы и процессы, можно находить общие закономерности и объяснять, чем конкретные объекты отличаются друг от друга.

Биологические системы и процессы на разных уровнях организации

Читайте таблицу сверху вниз, чтобы увидеть переход от меньших систем к более крупным. В последнем столбце показано, как объекты соседних уровней связаны друг с другом. Примеры процессов не исчерпывают всех явлений, характерных для каждого уровня.

Разбор задач

Задача 1. Распределите молекулу ДНК, клетку, организм, популяцию и экосистему по уровням организации жизни. Чтобы не перепутать ступени, сравните масштаб каждого объекта и выясните, какие объекты входят в состав других. Затем расположите уровни от меньшего к большему. Такой порядок показывает иерархию систем.

1. Молекула ДНК — отдельная молекула, поэтому относится к молекулярному уровню.
2. Клетка состоит из молекул и является системой клеточного уровня.
3. Организм включает клетки и относится к организменному уровню.
4. Популяция объединяет организмы одного вида, поэтому это популяционно-видовой уровень.
5. Экосистема включает организмы и среду их обитания и относится к экосистемному уровню.

Ответ: молекула ДНК — молекулярный уровень; клетка — клеточный; организм — организменный; популяция — популяционно-видовой; экосистема — экосистемный. Последовательность от меньшего к большему начинается с молекулы и заканчивается экосистемой. Объект каждого следующего уровня включает системы или компоненты предыдущих уровней.

Задача 2. Объясните, как нарушение работы митохондрий может повлиять на клетку и организм. Митохондрии — структуры клетки, участвующие в обеспечении её энергией; энергия нужна для множества клеточных процессов. Поэтому важно проследить причинную цепочку: от изменения клеточной структуры к работе клетки, а затем к состоянию организма. Последствия будут зависеть от того, насколько серьёзно нарушена функция.

1. Сначала сбой митохондрий затрудняет процессы, обеспечивающие клетку доступной энергией.
2. При недостатке энергии клетка может хуже выполнять функции, которым она необходима.
3. Если затронуты многие клетки или клетки важной ткани, нарушается работа соответствующей части организма.
4. Изменение функций органов может отразиться на состоянии организма в целом.

Ответ: нарушение работы митохондрий способно сначала повлиять на клеточные процессы, а затем на ткани, органы и организм. Это пример связи уровней организации, а не утверждение, что любой сбой обязательно приводит к одинаковым последствиям. Для оценки результата нужно учитывать масштаб нарушения и то, какие клетки затронуты.

Задача 3. Для фотосинтеза укажите, на каком уровне происходит процесс, какие системы в нём участвуют и как его результат влияет на экосистему. Фотосинтез — процесс образования органических веществ с использованием энергии света. Чтобы дать полный ответ, нужно назвать уровень, рассмотреть участников процесса и проследить, куда попадают его продукты. Это связывает процессы внутри организма с отношениями в экосистеме.

1. Фотосинтез идёт в клетках растений и других фотосинтезирующих организмов, поэтому его рассматривают на клеточном уровне.
2. В нём участвуют клеточные структуры, пигменты и молекулы, необходимые для преобразования энергии и образования веществ.
3. Организм растения получает органические вещества, которые использует для роста и других процессов.
4. В экосистеме эти вещества служат источником пищи для других организмов, а выделяемый кислород участвует в газообмене.

Ответ: фотосинтез протекает в клетках фотосинтезирующих организмов и обеспечивается взаимодействием молекул и клеточных структур. Его результат поддерживает жизнедеятельность растения и влияет на связи между организмами в экосистеме. Так процесс одного уровня имеет последствия на нескольких связанных уровнях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать уровни организации независимыми друг от друга. Так кажется, если рассматривать каждый уровень как отдельный список объектов, однако крупные системы включают нижележащие и зависят от их работы. Проверяйте себя вопросом: из каких систем состоит данный объект и на какие более крупные системы он влияет? Например, популяция состоит из организмов и входит в экосистему.

Ошибка: путать биологическую систему с её отдельной частью. Орган или клеточная структура важны, но сами по себе не равны целому организму или клетке. Путаница возникает, когда название части принимают за название системы. Чтобы проверить себя, уточните, что именно рассматривается: целое или элемент внутри него.

Ошибка: сводить свойства системы к свойствам её компонентов. Такой вывод кажется логичным, если изучать только состав, но взаимодействия частей могут создавать новые свойства целого. Спросите себя, достаточно ли перечислить элементы, чтобы объяснить работу системы, или нужно описать их связи. Если без взаимодействий объяснение неполное, значит свойства целого не сводятся к простому набору свойств частей.

Ошибка: считать, что каждый биологический процесс происходит только на одном уровне. Иногда внимание сосредоточено на месте, где процесс непосредственно наблюдают, и его последствия остаются незамеченными. Проверяйте себя, прослеживая, какие компоненты обеспечивают процесс и какие системы испытывают его результат. Например, фотосинтез связан с клеткой, организмом и экосистемой.

Связь с другими темами

Для понимания системного подхода нужны знания о признаках живого и основных уровнях организации природы: они помогают распознавать живые системы и сопоставлять их масштаб. Эти представления пригодятся при изучении клетки, обмена веществ и регуляции функций организма, потому что позволяют связывать строение с работой. При изучении экосистем они помогают объяснять взаимодействия организмов и среды. В целом системный подход позволяет проследить, как изменение на одном уровне отражается на других.

Что запомнить

• Живые объекты можно рассматривать как биологические системы.
• Элементы системы взаимосвязаны и влияют друг на друга.
• Биологические системы образуют иерархию уровней организации.
• На каждом уровне есть характерные системы и процессы.
• Свойства целого могут возникать благодаря взаимодействию его частей.
• Процессы разных уровней организации жизни взаимосвязаны.