Организация и самоорганизация в живой природе

     В других так называемых неклассических случаях рекомбинация может сопровождаться увеличением информации генома клетки. В этом случае фрагменты хромосомы клетки-донора включаются в хромосому принимающей клетки. Они могут оставаться в скрытом, латентном, состоянии некоторое время, а также соединяться с принимающей клеткой (клеткой-реципиентом), когда под действием внешних факторов они становятся активными.

     Клеточный уровень

     Любой живой организм состоит из клеток. Клетка является элементарной самостоятельной  единицей не только строения, но и функционирования живого организма. Она представляет собой мельчайшую элементарную живую систему и является основой жизнедеятельности и воспроизводства всех живых организмов.

     В клетке как микроносителе жизни  заключена такая генетическая информация, которая вполне достаточна для производства всего организма. На клеточном уровне идут процессы обмена веществ, процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. Поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях живой материи.

     Исследование  клетки стало возможным благодаря  изобретению микроскопа в XVII в. Впервые  клетка была описана английским естествоиспытателем  Р. Гуком.

     Клетки  всех живых организмов сходны по своему строению и составу вещества. Всеми весьма многообразными и сложными процессами в клетке управляет особая структура – ядро. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, координирует и регулирует процессы обмена веществ в клетке, а также ее воспроизводство путем деления.

     В начале XIX столетия было описано клеточное  ядро, что послужило значительным толчком в развитии теории клетки. Клеточная теория явилась важнейшим  событием в биологии XIX в. Именно она  стала фундаментом для развития физиологии, эмбриологии, теории эволюции. Это явилось огромным шагом вперед в понимании индивидуального развития живых организмов.

     Клетки  отличаются большим разнообразием  форм, размеров и функций. Их подразделяют на две группы: клетки, не содержащие ядра, то есть безъядерные клетки, представленные одноклеточными организмами – прокариотами, и клетки, имеющие ядро, то есть ядерные клетки, представляющие одноклеточные организмы – эукариоты, а также все многообразие многоклеточных организмов.

     По  типу питания клетки подразделяются на два вида: автотрофные, которые не нуждаются в органической пище и сами производят органические питательные вещества, используя энергию солнца, углерод, воду и минеральные вещества за счет процесса фотосинтеза (растения); и гетеротрофные, использующие для своего питания готовое органическое вещество.

     Онтогенетический (организменный) уровень

     Онтогенетический  уровень организации живой материи  включает в себя как одноклеточные, так и многоклеточные организмы. Это более высокий и сложный комплексный уровень организации живого на Земле. Сам термин «онтогенез» означает индивидуальное развитие организмов, охватывающее все изменения от зарождения до смерти. Термин был впервые введен в биологию немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г, который в сформулированном им биологическом законе указывает на то, что каждый отдельный организм в своем индивидуальном развитии повторяет в сокращенной форме историю своего вида.

     Основной  жизненной единицей на этом уровне является особь, а элементарным явлением – онтогенез. На этом уровне развития живого идет декодирование, а также реализация генетической и наследственной информации, завершающиеся становлением дефинитивной организации. Идет проявление фенотипических признаков, служащих материалом для естественного отбора. На этом уровне создаются особенности как структурные, изучаемые микро– и макроморфологией, так и функциональные, которые составляют предмет изучения физиологии, биофизики и биохимии.

     Особенно  важное значение для изучения функционирования и развития многоклеточных организмов имеет физиология. Она изучает механизмы действия различных функций живого организма, их связь, регуляцию и адаптацию к внешней среде, а также эволюционное развитие особи. Многоклеточные организмы состоят из тканей и органов.

     Ткани представляют собой совокупность клеток и межклеточного вещества. В растениях  это образовательная, основная, защитная и проводящая ткань. Ткани у животных – это эпителиальная, мышечная, соединительная и нервная.

     Органы  – это сравнительно крупные функциональные единицы, объединяющие ткани в определенные физиологические комплексы. Органы в свою очередь входят в состав более крупных единиц, систем организма. Это пищеварительная, нервная, сердечно-сосудистая, дыхательная системы и т. д.

     Популяционно-видовой уровень

     Это уже надорганизменный уровень, единицей которого является популяция. Именно популяции  являются реальными системами, посредством  которых существуют виды живых организмов. На этом уровне изменения, возникающие  на первых трех уровнях, приводят к существенным эволюционным преобразованиям (микроэволюциям) за счет выработки новых адаптивных норм (признаков) и связанных с ними процессов видообразования.

     Популяции являются генетически открытыми  системами. Хотя они обладают некоторой  относительной изоляцией, все же периодически они имеют возможность обмена генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции. Изменения их генофонда приводят к появлению новых видов. Популяциям свойственна активная и пассивная подвижность, что определяет постоянное перемещение особей. Популяции имеют способность к самостоятельному существованию, однако им свойственно и объединение. Объединяясь на определенной территории, они образуют биоценозы.

     Биосферный (биогеоценотический) уровень

     Как правило, биоценозы состоят из нескольких популяций и являются компонентами уже более сложной биологической  системы – биогеоценоза. Биогеоценоз  представляет собой единство живого (биоценоза) и неживого, то есть определенного  участка земной поверхности (биотопа). Биогеоценоз – это подвижная, открытая, развивающаяся система. Она постоянно обменивается веществом и энергией с другими биогеоценозами и с окружающим пространством.

     Биогеоценоз как целостная саморегулирующаяся система состоит из нескольких подсистем. Это первичные системы – продуценты. Они перерабатывают неживую материю, превращая ее в органическое вещество своих тел (растения, водоросли, некоторые микроорганизмы). Вторичные системы представлены консументами, которые получают энергию за счет органического вещества, синтезированного продуцентами (все травоядные животные), далее идут консументы второго порядка – хищники. Живые организмы после своего отмирания (органический детрит) перерабатываются редуцентами, то есть микроорганизмами, разлагающими остатки органической материи до минеральных веществ. Эти вещества, попадая в почву, вновь используются растениями, и круговорот веществ замыкается. Следовательно, в биогеоценозе происходит круговорот веществ, в котором живые организмы являются главной движущей силой.

     Устойчивость  и саморегуляция биогеоценозов  увеличивается пропорционально  разнообразию составляющих его элементов. Выпадение одного или нескольких компонентов биогеоценоза может  привести к необратимому нарушению  равновесия и к его гибели. Это  указывает на тесную взаимосвязь организмов всех уровней в биогеоценозе посредством пищевых цепей и пищевых сетей. В связи с этим высокоорганизованные организмы не могут существовать без более простых.

     Совокупность  всех биогеоценозов планеты образует биосферу. Биосферный уровень организации живого – это наивысший уровень, охватывающий все явления жизни на Земле. Живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов на планете, в том числе и человека) и преобразованная им окружающая среда – это и есть биосфера. Следовательно, биосферный уровень объединяет все другие уровни организации жизни на Земле. На этом уровне протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и образующие в сумме большой биосферный круговорот.

     Учение о биосфере разработал В. И. Вернадский. Он доказал тесную связь органического мира на планете как единого нераздельного целого с геологическими процессами. Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции и является мощной геологической силой. 
2. Самоорганизация живого вещества

     Живое вещество можно классифицировать как  гетерогенные мультиагрегаты белков, требующих обязательного притока  ВЭИ для поддержания внутренних процессов. Живое вещество образовалось в период истощения энергетических ресурсов мирового субстрата, после завершения «строительства» субатомных организаций и неживых мультиагрегатов. Живое вещество развилось на  базе неорганических мультиагрегатов и располагается на границе литосферы, гидросферы и атмосферы Земли. Живое вещество построено из тех же химических элементов (предпочтительно из углеводородов), что и неживое. Основой жизни являются белки – самые нестабильные молекулы. Без постоянного притока и оттока ВЭИ живое не существует.

     Неживое вещество также потребляет энергию субстрата, но как бы незаметно. Науке предстоит изучить эти процессы. Но живые мультиагрегаты за год пропускают через себя и преобразуют количество химических элементов, соизмеримое с массой земной коры. Интенсивность обмена веществ усиливается способностью живого активно искать ресурсы (питание). По этой причине органы животных и растений имеют очень развитую поверхность, через которую идёт обмен ВЭИ (поступают ресурсы). Растения тянутся к свету, воздуху, к воде

     Независимость от ресурсов достигается в случае, если источник неисчерпаем и доступ к нему неорганичен. Поэтому поисковую активность, которая в зачаточном состоянии усматривается в неживом, животные сделали главной функцией.

     Такой способ существования зародился  в недрах неживых мультиагрегатов, существование которых основано на потреблении энергии. Например, горение должно поддерживаться притоком кислорода и горючего вещества при отводе продуктов реакции. Смерчи, тайфуны, циклоны черпают энергию из атмосферы. Все технические устройства потребляют энергию. Солнце  производит энергию, выделяющуюся при ядерном синтезе. Только молекулы, атомы и субатомы самодостаточны и могут длительно существовать без заимствования энергии у соседей. Но для реформирования своей структуры все же требуется дополнительная энергия. Например, для расщепления ядра атома его следует «расстрелять» нейтронами. Многие химические реакции протекают только при нагреве (эндотермические реакции).

     Необходимость в энергии связана с тем, что  живое вещество является неравновесной организацией с лабильными связями. Поэтому для сохранения организации приходится постоянно совершать работу. В клетке нет постоянных мест расположения органелл. Они могут передвигаться в протоплазме, но функции свои при этом выполняют. В животных все органы связаны эластичными тяжами, гибкими сосудами и нервами. Чем сложнее форма жизни, тем в большей степени «жесткие» связи заменяются информационными (колония бактерий, нервы, муравейник, улей, толпа людей).

     Для сохранения функций лабильной организации требуются затраты ресурсов на постоянную регенерацию элементов и связей. Организация как бы многократно воспроизводит себя по частям, в этом и состоит механизм гомеостаза. Размножение – это разновидность регенерации, осуществляется не только для «ремонта», но и для экспансии.

     Клетка  периодически заменяет белки (ферменты). Организмы восстанавливают органы, хвосты, когти, кожу, волосы, стенки желудка. Человек полностью обновляется  в течение нескольких месяцев.

     На  рисунке 8.4. приведены типичные кривые жизненного цикла организаций. Допустим, кривая 1 описывает жизненный цикл (ЖЦ) некоторой организации, стагнация которой наступает во время ţ. Каждая новая перестройка элементов, функций, процессов даёт старт новой организации, которая начинает новый ЖЦ. В итоге последовательного наложения жизненных циклов 1, 2, 3, 4, происходит удлинение интегрального ЖЦ, изображенного «жирной» кривой.