Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 2. Рівні організації живого

Рівні організації живого дозволяють зосереджувати увагу на окремих біологічних об’єктах

Для зручнішого аналізу процесів, що відбуваються в живих організмах, виокремлюють кілька рівнів організації живого (рис. 2.1). Тут ми маємо пам’ятати, що кожен наступний рівень включає в себе попередній, тобто рівні організації формують певну ієрархію. Крім того, такий розподіл на рівні є умовним: печінка не може працювати, якщо не працюють її клітини — гепатоцити, останні ж, своєю чергою, можуть функціонувати лише за умови, що в них відбуваються відповідні хімічні процеси обміну речовин. Тому існування і функціонування об’єктів вищих рівнів забезпечується функціонуванням об’єктів нижчих рівнів організації живого.

На молекулярному рівні організації живого відбуваються процеси перетворення хімічних речовин, переходу енергії з одного виду в інший. Білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти та інші речовини визначають події молекулярного рівня. Віруси як молекулярні комплекси також є об’єктами вивчення цього рівня. Зрозуміло, що без належного функціонування молекул неможливе існування усіх наступних рівнів організації живого. З іншого боку, далеко не все, що відбувається на цьому рівні має ознаки живого, наведені в попередньому параграфі: атоми і молекули не дихають і не самооновлюються, вони не здатні до розвитку і росту. Але саме еволюційні зміни в будові молекул нуклеїнових кислот і, як наслідок, РНК і білків є рушієм усієї еволюції живого світу (рис. 2.2).

Рис. 2.1. Рівні організації живого

Тож з цього погляду деякі молекули здатні до еволюції. Підсумовуючи, можна стверджувати, що об’єкти цього рівня не можуть вважатися живими.

Функціонування клітин відбувається на клітинному рівні. Саме на цьому рівні уперше проявляються всі ознаки живого, оскільки вони є характерними для окремої клітини. Механізми процесів обміну речовин і їх регуляції, процесів реалізації спадкової інформації, її передачі під час поділу клітини, будова і функціонування різноманітних компонентів клітини, а також відмінності між клітинами різних типів є об’єктами дослідження на клітинному рівні. Фактично будь-які процеси, пов’язані з функціонуванням клітини, відносяться до цього рівня. Межа між клітинним і молекулярним рівнем дуже розмита. Так актинові мікрофіламенти цитоскелету клітини побудовані з численних повторів однієї молекули — білка актину. По суті вони є білковим полімером. Тобто єдиним макромолекулярним комплексом. З іншого боку ці ж мікрофіламенти є основою для скоротливих мікрофіламентів м’язових волокон і необхідні для амебоїдного руху клітин імунної системи. То на якому рівні їх слід вивчати: молекулярному чи клітинному?

Рис. 2.2. Виникнення серпуватоклітинної анемії

У результаті заміни одного нуклеотиду ДНК на інший у гені β-ланцюга гемоглобіну змінюється послідовність амінокислот білка: замість глутамінової кислоти вбудовується валін. Така зміна призводить до зменшення розчинності гемоглобіну і його кристалізації. Це викликає зміну форми еритроцитів і зменшує тривалість їх життя настільки, що малярійний плазмодій не встигає розвиватися в таких еритроцитах. Тому люди з такою мутацією рідше гинуть від малярії і краще пристосовані до життя в районах зі значним поширенням хвороби.

Принципи функціонування тканин і органів різних організмів, їх різноманіття, особливості будови розглядаються як об’єкти органо-тканинного рівня організації живого. На цьому рівні виникає питання розгляду складу і будови багатоклітинних організмів, що не мають тканин і органів (рис. 2.3). До кінця незрозуміло, чи має їхня будова розглядатися на клітинному рівні, через те, що всі клітини однакові і тканин немає, чи — на вищому рівні організації живого — організмовому.

Сукупність органів і тканин, що пов’язані між собою і мають спільну регуляцію, формує організм, який розглядається на окремому організмовому рівні. Часто до складу цього рівня включають об’єкти, що вивчаються на попередньому органо-тканинному рівні. Характерні ознаки будови і життєдіяльності одноклітинних організмів можуть вивчатися як на цьому рівні, так і на клітинному, бо для цих живих істот функції цілого організму (організмовий рівень) виконує лише одна клітина (клітинний рівень). У складі багатоклітинних організмів органи об’єднуються в системи органів задля виконання специфічних функцій. Розвиток організмів, процеси, пов’язані зі спадковістю і мінливістю, також є об’єктами вивчення цього рівня організації живого.

Рис. 2.3. Організми, що не мають тканин і органів

А. «Морський салат» — їстівна водорість ульва. Б. Розріз плодового тіла мухомора. Добре видно відсутність різних тканин і органів у тілі гриба.

Популяційно-видовий рівень організації живого є першим надорганізмовим рівнем. Популяція певного виду, як і сам вид, теоретично може існувати безмежно, тому саме на цьому рівні проявляється безперервність життя. Зміна частоти зустрічності певних ознак у популяції є найменшою еволюційною подією, тому вивчення процесів, що відбуваються на цьому рівні організації, є надзвичайно важливим для розуміння еволюційних процесів. Однією з найголовніших проблем цього рівня є неможливість чітко визначити межі біологічного виду. Жодне з сучасних визначень не дає змоги однозначно відокремити всі види один від одного.

Популяції різних видів, що мешкають на певній території і взаємодіють між собою та з навколишнім середовищем, утворюють екосистеми, які є об’єктами вивчення екосистемного рівня. Структура екосистем, усі процеси усередині екосистем, зміни у них, а також вплив людської діяльності на угруповання організмів вивчаються саме на цьому рівні. Тут є проблема виокремлення екосистем. Вважається, що лише екосистеми ізольованих островів можуть розглядатися незалежно від інших екосистем. Усі ж інші екосистеми настільки тісно переплетені між собою міграціями речовин і організмів, що є взаємозалежними (рис. 2.4). Тобто утворюють спільну більшу екосистему. Якщо продовжити об’єднання, то прийдеться визнати існування єдиної екосистеми для усієї планети — біосфери.

Тому найвищим рівнем організації живого є біосферний. Засновником учення про біосферу є український науковець Володимир Вернадський. На цьому рівні розглядаються біологічні події, що відбуваються в масштабі усієї планети. Вплив на природу глобальних змін клімату, масового вирубування лісів, забруднення атмосфери, гідросфери і ґрунтів, танення полярних шапок льодовиків проявляються на цьому рівні. Деякі вчені розглядають біосферу як єдину велику екосистему.

Отже поділ живого світу на рівні достатньо відносний і має на меті лише полегшити аналіз процесів і явищ, що відбуваються у природі.

Сама ж природа є неподільною і єдиною системою живих і неживих об’єктів різного розміру.

Біологія та екологія тісно пов’язані з іншими науками

Хоча об’єкти вивчення фізики, хімії, географії і біології різняться, усім зрозуміло, що знання однієї науки потрібні в іншій. Так, наприклад, для вивчення процесів передачі нервових імпульсів біологам треба розумітися в електриці, бо нервові імпульси мають електричну природу. З іншого боку, щоб зрозуміти, як відбувається реплікація ДНК, біолог чи біологиня має знати хімічну структуру цієї молекули і вміти використати це знання для пояснення процесів, що відбуваються в живих істотах. Окрім того, що б не досліджував вчений-природознавець, йому не обійтися без фізичних і хімічних методів дослідження (рис. 2.5).

Рис. 2.4. Екосистема гірського озера

Вона є тісно пов’язаною з екосистемою лісу, розташованого на її берегах. Хімічний склад води, а з ним флора і фауна озера, залежать від процесів, що відбуваються у екосистемах високогір’я, звідки вода струмками надходить до озера, а також від впливу рослинності на берегах озера. Екосистема прибережних лісів, своєю чергою, залежить від процесів, що відбуваються у високогір’ї й у самому озері. Виходить, що всі екосистеми, які тим чи тим чином дотичні до озерної впливають на неї, як і вона на них.

Ґрунтовні знання з географії стануть у пригоді біологові, який вивчає, наприклад, поширення організмів чи пристосування їх до певних умов. Кліматологія дозволить розібратися з атмосферними умовами проживання організмів, ґрунтознавство — з умовами літосфери, а гідрологія — з водними умовами для життя.

Розуміння процесів, що відбуваються під час нормальної життєдіяльності та того, як вони змінюються під час хвороби, дозволяє створювати й використовувати лікарські препарати і медичні процедури. Тому біологія — це фундамент фармакології, медицини та ветеринарії. Шляхи передачі інфекційних агентів, причини появи тих чи інших захворювань, способи їх поширення і попередження стали основою для таких медичних дисциплін як гігієна й епідеміологія.

Біологія та екологія — це основа для сільського господарства та лісництва. Без розуміння біологічних особливостей розвитку й існування штучних і природних екосистем неможливе ефективне їх використання для задоволення потреб людини.

Використання організмів у технологічних процесах дозволяє не тільки підвищити ефективність останніх, але й зробити їх більш екологічними, менш шкідливими для довкілля. Тому дедалі популярнішою галуззю досліджень і виробництва стає біотехнологія.

В останні десятиліття біологія вийшла за межі умов, наявних на планеті Земля: вчені почали досліджувати вплив невагомості космічного простору і низьких температур на організми. Космічна біологія і кріобіологія — це галузі біологічної дисципліни на межі біології з космонавтикою та фізикою низьких температур. Таких дисциплін не існувало ще декілька десятків років тому!

Рис. 2.5. Фізичні і хімічні методи дослідження, що використовуються в біології

А. Рентгенограми кристалів ДНК була отримана Розалінд Франклін методом рентне неструктурного аналізу і допомогла встановити параметри спіральної структур и цієї молекули. Б. Розчин солі Cu2+ (ліворуч) змінює своє забарвлення у присутності амінокислот і білків (праворуч), що дозволяє визначити їх наявність у зразку. Це є прикладом якісного хімічного аналізу в біологічних дослідженнях.

Нині екологічні знання стали критичними для існування людства: ми нарешті зрозуміли, що якщо продовжимо ставитися до довкілля як до чогось вторинного, несуттєвого, то швидко опинимося в ситуації, коли не зможемо задовільнити свої базові потреби: у їжі, безпеці, відпочинку. Тому в наш час біологічні й екологічні знання дотичні навіть до таких галузей людського знання, як економіка, соціологія, психологія тощо. Порушене тут питання взаємозалежності людства і навколишнього середовища ми докладно розглянемо вже в наступному параграфі.

Життєві запитання — обійти не варто

Елементарно про життя

• 1. Визначте біологічний об’єкт, що може вивчатися од разу на двох різних рівнях організації живого.

А нервова тканина

Б мітохондрія

В РНК

Г пекарські дріжджі

Д видільна система

• 2. Визначте варіант, у якому об’єкти розташовані за зростанням рівнів організації живого, до яких вони належать.

А ДНК — ядро — нервова тканина — мозок

Б миша — кров — еритроцит — гемоглобін

В планета Земля — екосистема міста — руді таргани міста — крила тарганів

Г блоха — стрибальні ноги блохи — ротовий апарат блохи — нервова система блохи

Д вид Веселка смердюча — міцелій веселки смердючої — популяція веселок смердючих лісу — клітина веселки смердючої

• 3. Для вивчення якої залежності потрібно застосувати хімічні знання?

А впливу кислотності у шлунку на швидкість розщеплення білків

Б залежності частоти серцевих скорочень від фізичного навантаження

В зміни активності кори головного мозку під час сну

Г впливу температури на швидкість проростання насіння гороху

Д залежності висоти польоту серпокрильця від атмосферного тиску

• 4. Троє дітей з класу висловили свої думки про кріобіологію. Тарас упевнений, що проблемою зберігання ембріонів у рідкому азоті займаються вчені-кріобіологи. Катерина стверджує, що кожен кріобіолог добре знається на фізиці низьких температур. Оксана вважає, що кріобіологія може бути застосована при вивченні процесів, що відбуваються в позаземному просторі. Хто з них має рацію?

А тільки Тарас

Б тільки Катерина

Д усі

В Катерина та Оксана

Г Тарас і Катерина

• 5. Увідповідніть об’єкт і рівень живого, на якому він вивчається.

1. глюкоза

2. насінина соняшника

3. холерний вібріон

4. хромосома

А молекулярний

Б клітинний

В органо-тканинний

Г організмовий

Д популяційно-видовий

У житті все просто

• 6. Наведіть приклади міжрівневих об’єктів, які можуть розглядатися на кількох рівнях організації живого. Поясніть, чому такі об’єкти складно віднести до певного рівня організації живого.

• 7. Біологічні знання використовуються в таких, здавалося б, далеких від біології галузях людської діяльності, як: криміналістика, комп’ютерні технології, соціологія. Як біологія стала їм у пригоді?

У житті все не так просто

• 8. Чому багато вчених вважають біосферу глобальною екосистемою? Чому інші вчені з ними не погоджуються?

Проект для дружної компанії

• 9. Останнім часом усе більш популярними стають замкнені екосистеми в акваріумах, колбах ламп, скляних банках. Створіть таку екосистему. Спостерігайте за змінами в ній протягом часу. Поділіться спостереженнями у класі.