Раздел I. Биологические системы: клетка, организм

Определения и обозначения

Биологическая система — живой объект, состоящий из взаимосвязанных частей и взаимодействующий с окружающей средой. Части системы влияют друг на друга, поэтому её свойства определяются не только отдельными компонентами, но и их совместной работой. Это понятие помогает объяснить, как организованы живые объекты разных масштабов.

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого. Она является минимальной единицей, способной выполнять основные жизненные процессы. Поэтому клетку рассматривают не просто как строительный материал организма, а как систему со своим устройством и работой.

Организм — целостная биологическая система, которая самостоятельно поддерживает жизнедеятельность и взаимодействует со средой. У многоклеточного организма разные части выполняют особые функции, но действуют согласованно. Такое определение показывает, почему состояние целого зависит от работы его частей.

Обмен веществ и энергии — совокупность поступления веществ в организм, их превращений, использования и удаления продуктов обмена, сопровождающаяся преобразованием энергии. Он необходим, потому что клетки постоянно расходуют вещества и энергию на свою работу. Без обмена жизнедеятельность системы не может поддерживаться.

Как это устроено

Система возникает там, где части не просто находятся рядом, а связаны и влияют друг на друга. В живом объекте одна часть может получать от другой вещества или сигналы, а её работа — создавать условия для следующей. Поэтому изменение компонента иногда нарушает целую цепочку процессов. Так взаимосвязи превращают набор частей в единую систему.

Клетка считается минимальной системой с основными свойствами живого, поскольку в ней протекают процессы, поддерживающие её существование. Мембрана отделяет клетку от среды и регулирует обмен, а внутренние компоненты выполняют разные задачи. Их согласованная работа позволяет клетке получать и преобразовывать вещества, использовать энергию и реагировать на изменения условий. Отдельные части клетки не заменяют систему в целом.

У многоклеточных организмов клетки специализируются и работают совместно. Группы сходных по строению и функциям клеток образуют ткани, ткани входят в состав органов, а органы объединяются в системы органов. Такое распределение труда позволяет выполнять сложные функции, которые отдельная клетка не могла бы обеспечить для всего тела. При этом уровни связаны: ткани зависят от клеток, а работа органов — от согласованности их тканей.

Обмен веществ и энергии связывает организм с окружающей средой: из неё поступают необходимые вещества и энергия, а туда выделяются продукты обмена. Внутри организма вещества преобразуются, а высвобождаемая или получаемая энергия используется клетками для процессов жизнедеятельности. Если поступление или превращение необходимых веществ нарушено, клетки хуже выполняют свои функции. Поэтому обмен поддерживает работу всего организма, а не только отдельного органа.

Организм целостен, потому что его части действуют согласованно, но он не существует независимо от других систем. Он получает ресурсы из среды и влияет на неё, а сам входит, например, в состав популяции и экосистемы. Изменения на одном уровне могут отражаться на другом: условия среды влияют на организм, а состояние организма зависит от работы его клеток и органов. Так живое организовано на нескольких взаимосвязанных уровнях.

Клетка и организм как биологические системы

Сравнивайте клетку и организм по каждому признаку: так видно и сходство систем, и разницу в масштабе и устройстве. В строке о частях указаны основные примеры, а не полный перечень компонентов. Строки о связях, среде и саморегуляции помогают проследить, как система поддерживает свою работу.

Разбор задач

1. Укажите, какие признаки позволяют считать клетку биологической системой.

Условие. Нужно определить, обладает ли клетка признаками системы, а не просто перечислить её части. Для этого рассмотрим устройство клетки и то, как она поддерживает жизнедеятельность. Важно оценить и связи между компонентами, и взаимодействие клетки со средой.

1. Назовите части клетки, например мембрану, цитоплазму и органоиды. Разные компоненты выполняют неодинаковые функции.
2. Установите, как эти компоненты взаимодействуют. Их совместная работа обеспечивает клеточные процессы, а мембрана регулирует обмен со средой.
3. Сопоставьте наблюдения с признаками системы: наличие частей, связей между ними и обмена со средой. Вместе эти признаки показывают системную организацию клетки.

Ответ. Клетка является биологической системой, потому что состоит из взаимосвязанных компонентов. Они совместно обеспечивают жизнедеятельность, а клетка обменивается веществами со средой и реагирует на её условия.

2. Объясните, почему нарушение работы одного органа может повлиять на состояние организма в целом.

Условие. Требуется объяснить связь между работой отдельного органа и состоянием целого организма. Одного утверждения, что органы важны, недостаточно: нужно показать, как их функции включены в общую работу. Пример ниже основан на нарушении работы органа дыхательной системы.

1. Определите функцию органа. Если лёгкие работают хуже, в организм поступает меньше кислорода.
2. Проследите последствия для клеток. Кислород необходим клеткам для ряда процессов, связанных с получением энергии, поэтому его недостаток затрудняет их работу.
3. Свяжите клеточные изменения с состоянием организма. Когда многие клетки получают меньше кислорода, страдает работа тканей и органов, а значит, меняется состояние целого организма.

Ответ. Орган влияет на организм через взаимосвязанные уровни: его функция необходима клеткам и тканям. Нарушение работы органа может вызвать цепочку изменений в других частях, поэтому целостность организма не означает независимости его органов.

3. Проследите на примере многоклеточного организма, как изменения условий среды могут повлиять на клетку, орган и организм.

Условие. Рассмотрим человека, который оказался в холодной среде. Нужно проследить последствия на трёх уровнях, не смешивая клетку, орган и организм. Пример показывает, почему условия среды и внутренняя работа организма связаны.

1. На уровне клетки изменение температуры влияет на условия протекания клеточных процессов. Клетки работают нормально лишь в определённых условиях, поэтому организму необходимо ограничивать потерю тепла.
2. На уровне органа кожа участвует в теплообмене с окружающей средой. Изменение кровоснабжения кожи помогает уменьшить отдачу тепла, хотя при длительном охлаждении эта защита может оказаться недостаточной.
3. На уровне организма включаются согласованные реакции, помогающие сохранять температуру тела. Если воздействие холода слишком сильное или долгое, нарушается работа разных органов и общее состояние ухудшается.

Ответ. Изменение среды может сначала повлиять на условия работы клеток, затем вызвать реакцию органов и всего организма. Последствия зависят от силы и продолжительности воздействия, а также от способности организма поддерживать внутренние условия.

Типичные ошибки

Ошибка — считать клетку только частью организма. Так думают, потому что многие клетки действительно входят в состав тканей и зависят от организма. Но клетка сама имеет части и поддерживает основные жизненные процессы; проверьте себя вопросом, может ли она быть системой, а не только строительным элементом.

Ошибка — понимать целостность как независимость органов друг от друга. Её допускают, когда функции органов изучают по отдельности и забывают об их совместной работе. Проверьте себя: если функция одного органа нарушится, изменится ли обеспечение других частей организма? Если да, органы взаимосвязаны.

Ошибка — сводить обмен веществ к поступлению пищи. Поступление — только один этап, поэтому такое объяснение не показывает превращения веществ и движения энергии. Чтобы проверить себя, назовите также преобразование и использование веществ, получение энергии и удаление продуктов обмена.

Ошибка — считать организм единственным видом биологической системы. Это происходит, когда слово «система» связывают только с целым живым существом. Однако клетка, популяция и экосистема тоже являются биологическими системами; проверяйте, о каком уровне организации идёт речь.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об основных признаках живого и общее представление о строении клетки. Они позволяют распознать, какие процессы поддерживают жизнь и какие компоненты участвуют в работе клетки. Если эти основы известны, проще увидеть сходство клеточного и организменного уровней.

Тема служит опорой для изучения клеточных процессов, тканей, органов и систем органов. Представление о целостности помогает разбирать саморегуляцию организма и последствия нарушений его функций. Связь со средой пригодится при изучении взаимодействий организмов и более крупных биологических систем.

Что запомнить

• Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого.
• Клетка и организм обладают признаками биологических систем.
• Части биологической системы взаимосвязаны.
• Организм представляет собой целостную систему.
• Жизнедеятельность требует обмена веществ и энергии.
• Организм взаимодействует с окружающей средой.