§ 1. Организация биологических систем

Определения и обозначения

Биологическая система — совокупность взаимосвязанных элементов живой природы, образующих целостное единство и взаимодействующих между собой и с окружающей средой. Это понятие позволяет рассматривать клетку, организм или экосистему не как набор частей, а как работающую целостность.

Уровень организации живого — ступень иерархии биологических систем, отличающаяся составом элементов, структурой и характерными процессами. С помощью этого термина сравнивают, например, обмен веществ в клетке и круговорот веществ в экосистеме.

Иерархичность — устройство биологических систем, при котором системы одного уровня входят в состав систем более высокого уровня. Благодаря иерархии можно проследить связи от молекул до биосферы и понять, как изменения на одном уровне отражаются на других.

Эмерджентное свойство — свойство системы, возникающее благодаря взаимодействию её частей и отсутствующее у частей по отдельности. Это объясняет, почему ткань, орган или организм обладают функциями, которые нельзя обнаружить у одной клетки.

Открытая система — система, обменивающаяся с окружающей средой веществами, энергией и информацией. Все живые системы должны получать ресурсы и удалять продукты обмена, иначе их внутренние процессы прекратятся.

Как это устроено

Биологическую систему рассматривают как целое, потому что её части постоянно связаны обменом веществ, энергией и информацией. Клетки получают сигналы, питательные вещества и кислород, а выделяют продукты обмена. Поэтому нарушение работы одного компонента может изменить состояние всей системы: повреждение органа отражается на организме, а исчезновение вида — на экосистеме.

Иерархия формируется постепенным объединением элементов. Молекулы образуют клеточные структуры, клеточные структуры обеспечивают работу клетки, клетки объединяются в ткани, ткани — в органы, а органы — в организм. На более высоких уровнях появляются новые связи, поэтому простое сложение частей не описывает работу всей системы.

Каждый уровень имеет собственные свойства, потому что взаимодействие его элементов создаёт новые функции. Молекула ДНК хранит наследственную информацию, но клетка способна использовать её для управления обменом веществ и деления. Организм, в свою очередь, координирует работу органов, поддерживает внутреннее равновесие и реагирует на изменения среды.

Система низшего уровня может быть самостоятельной и одновременно входить в состав более крупной системы. Клетка живёт как единое целое, но в многоклеточном организме она выполняет специальную роль в ткани или органе. Такое включение не отменяет свойств клетки, а добавляет ей новые функции, связанные с соседними клетками.

Биологические системы относят к открытым, потому что жизнь требует постоянного притока вещества и энергии. Растение получает воду, минеральные соли, углекислый газ и свет, а организм животного — пищу и кислород; наружу выводятся продукты обмена. При этом саморегуляция поддерживает относительное постоянство внутренней среды, или гомеостаз, несмотря на изменения внешних условий.

Уровни организации живых систем

Таблица показывает, какая система соответствует каждому уровню, из каких компонентов она складывается и какие процессы для неё характерны. При разборе примера сначала определите систему, затем её состав и функции. Уровни связаны между собой, поэтому один объект можно рассматривать в составе системы более высокого уровня.

Разбор задач

Задача 1

Расположите митохондрию, клетку печени, печёночную ткань, печень и человека в порядке усложнения уровня организации. Нужно определить не размер объекта, а систему, к которой он относится. Затем выстроить объекты от части клетки к целому организму.

1. Митохондрия является клеточным органоидом, то есть структурой внутри клетки.
2. Клетка печени относится к клеточному уровню, а печёночная ткань состоит из множества сходных клеток.
3. Печень — орган, образованный несколькими тканями; человек — организм, включающий органы и системы органов.

Ответ: митохондрия → клетка печени → печёночная ткань → печень → человек. В строгой классификации митохондрия не образует отдельного уровня, а является частью клеточной системы.

Задача 2

Объясните, почему отдельная мышечная клетка и мышца обладают разными свойствами, хотя мышца состоит из мышечных клеток. В условии проверяется понимание эмерджентных свойств. Нужно сравнить возможности одной клетки и согласованной работы множества клеток.

1. Одна мышечная клетка способна сокращаться, получать энергию и реагировать на сигналы.
2. В мышце клетки соединены, ориентированы и управляются согласованно, поэтому их сокращения складываются.
3. Благодаря этому мышца развивает силу, меняет положение части тела и участвует в движении, чего отдельная клетка обеспечить не может.

Ответ: свойства мышцы не равны простому перечню свойств клеток. Согласованное взаимодействие клеток создаёт эмерджентное свойство — выполнение механической работы всем органом.

Задача 3

Проследите, как поступление глюкозы в организм связано с уровнями от молекулярного до организменного. Нужно показать единую цепь, а не перечислить уровни изолированно. Каждый следующий результат зависит от процессов предыдущего уровня.

1. На молекулярном уровне глюкоза вступает в реакции обмена и используется для получения энергии.
2. На клеточном уровне митохондрии участвуют в расщеплении веществ, а клетки кишечника и крови обеспечивают её транспорт.
3. На тканевом и органном уровнях кишечник всасывает глюкозу, кровь переносит её, а поджелудочная железа выделяет гормон инсулин.
4. На организменном уровне глюкоза поддерживает работу органов, а саморегуляция удерживает её концентрацию в допустимых пределах.

Ответ: поступление глюкозы связывает молекулярные реакции, работу клеток, тканей и органов с поддержанием гомеостаза всего организма. Нарушение любого звена может повлиять на конечный результат.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Отдельный органоид называют самостоятельным уровнем организации. Так происходит, потому что органоид заметен как отдельная структура. Проверьте себя: уровень должен обозначать тип системы, а органоид является частью клетки.

Ошибка 2. Уровни представляют изолированными ступенями. Ученик запоминает список, но не видит связей между ступенями. Проверьте ответ вопросом: какие элементы входят в систему и как изменение одного уровня повлияет на другой?

Ошибка 3. Организм отождествляют с экосистемой. Причина ошибки — в обеих системах есть живые компоненты. Помните: организм относится к одному виду, а экосистема включает разные виды и неживые факторы среды.

Ошибка 4. Свойства целого считают полностью совпадающими со свойствами частей. Так рассуждают, если воспринимают систему как простую сумму элементов. Проверьте себя: найдите функцию, которая появляется только при согласованном взаимодействии частей, — это эмерджентное свойство.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, уровнях организации тела многоклеточного организма и основных проявлениях жизни. Без них трудно увидеть, как части образуют систему и почему она поддерживает жизнедеятельность.

Эта тема пригодится при изучении клетки, генетики, экологии, эволюции и механизмов саморегуляции организма. В каждом случае один и тот же процесс можно рассматривать на нескольких уровнях.

Понятие иерархии связывает обмен веществ, наследственность и экологические процессы. Оно помогает перейти от работы молекул и клеток к изменениям популяций, круговоротам веществ и функционированию биосферы.

Что запомнить

• Живое организовано в виде взаимосвязанных систем.
• Биологические системы имеют иерархическое строение.
• Каждый уровень отличается собственными структурой и процессами.
• Свойства целого возникают из взаимодействия его частей.
• Большинство биологических систем являются открытыми.
• Биологические системы способны к саморегуляции.
• Изменения на одном уровне могут отражаться на системах других уровней.