Біологія 10 клас

Розділ 1 Загальна характеристика живої природи

 

Тема 2 Cистема організації живої природи

 

§ 8. БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ І РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИВОГО

 

Терміни та поняття: система, елемент, адаптація, рівні організації живого, організм, популяція, вид, екосистема, біогеоценоз, біосфера.

Що таке система. Живі організми є системами (від грец. сістема — утворення), тобто вони побудовані із структурних одиниць — елементів (від лат. елементум — складова частина чогось), які пов’язані між собою взаємовідносинами, що базуються на певних законах. Саме ці закономірності й обумовлюють особливості біологічних систем: їх цілісність, здатність до саморегуляції та самовідтворення, до розвитку та адаптації (від англ. адапто — пристосовуватися) — пристосування організму до певних умов середовища.

Важливою особливістю біологічних систем є їх відкритість. Це означає, що живі тіла є динамічними, проте сталими утвореннями, які постійно споживають енергію ззовні.

Простим прикладом відкритої системи є басейн, у який по одних трубах надходить вода, а по інших — витікає. Таким чином, постійно відбувається оновлення при збереженні статусу. До відкритих систем відносяться усі типи двигунів, які працюють при постійному доступі палива чи електро - енергії ззовні. Подібно до машини, живі організми існують лише за умови постійного отримання енергії та речовин.

Рівні організації живого. Будова живих організмів значно складніша, ніж будова неживих. Причиною цього, насамперед, є багаторівневість організації живого на Землі. Живі істоти складаються з клітин, які утворюються молекулами, клітини в свою чергу утворюють організми, а ті — угруповання організмів, що формують живу оболонку нашої планети. Ці біологічні утворення називаються рівнями організації живого і розташовані відповідно до принципу ієрархії (від грец. хієрос — священний і архе — влада). Практично на кожному з рівнів утворюються свої біологічні системи, яким притаманні власні особливості прояву життя.

Молекулярний рівень. Це найнижчий рівень організації живого.

На думку одних науковців, процеси, що відбуваються на цьому рівні, ще не мають біологічної специфіки, а являють собою фізико-хімічні перетворення молекул. Інші переконують, що саме з нього починаються найважливіші процеси життєдіяльності організму: обмін речовин, перетворення енергії, передача спадкової інформації, мутації тощо. (Поясніть такі розбіжності у поглядах науковців.)

 

 

Мал. 68.Взимку крижні утворюють скупчення навіть у великому місті

 

 

Мал. 69.Гніздова колонія мартина сріблястого

 

 

 

Мал. 70.Виводок казарки канадської, що гніздиться в тундрі

 

Молекулярний рівень є своєрідною межею між неживою та живою природою. Структурними елементами цього рівня є макромолекули біологічно важливих органічних речовин (наприклад білків, нуклеїнових кислот та інших), оскільки вони входять до складу будь-якої біосистеми. Процеси, що відбуваються на молекулярному рівні, є матеріальною основою ознак і властивостей живого, як-от: обмін речовин, передача спадкової інформації тощо. Вивченням молекулярного рівня займаються молекулярна біологія, біохімія, ензимологія, біохімія ліпідів, фізична хімія біополімерів, біофізика, генетика.

Клітин ний рівень, елементами якого є клітини — найпростіші біологічні системи. Це рівень життєдіяльності організму, з якого, власне, і розпочинаються біологічні процеси, а не просто хімічні реакції. В історії нашої планети був такий період (перша половина архейської ери — понад 3,5 млрд. років тому), коли всі живі організми знаходились на цьому рівні організації. Одноклітинні організми утворювали всі види, біоценози та біосферу в цілому. У процесі еволюції органічного світу клітина виявилася єдиною елементарною системою, в якій можливий вияв усіх закономірностей, що характеризують життя.

Функціональна спеціалізація клітин зумовлює різноманітність їх форм. М’язові клітини — видовжені, покривні — багатокутні, лейкоцити — кулясті, нервові клітини, завдяки великій кількості відростків, набули зірчастої форми. (Наведіть власні приклади. Проілюструйте залежність форми клітини від її функції.)

Основні процеси, що відбуваються на клітинному рівні, будуть об’єктами вашого дослідження цього року — обмін речовин та енергії, самовідтворення, саморегуляція, самооновлення. Клітинний рівень вивчають цитологія, цитохімія, цитогенетика, мікробіологія.

Організмений рівень, структурною одиницею якого є окремі особини. Процеси, що відбуваються на цьому рівні, пов’язані з ростом, розвитком і розмноженням. (Зверніть увагу, для одноклітинних організмів клітинний і організмений рівні збігаються.) На організменому рівні спостерігається найбільша різноманітність форм життя, яка не є наслідком різноманітності дискретних одиниць нижчої ланки, а обумовлена їх ускладненими просторовими комбінаціями, які приводять до виникнення якісно нових особливостей.

Поза особинами у природі життя не існує. На цьому рівні відбуваються процеси онтогенезу, тому він має й іншу назву — онтогенетичний.

 

 

Мал. 71.Найбільша популяція нарцису вузьколистого. Карпатський біосферний заповідник

 

 

Мал. 72.Сьогодні описано близько 10 000 видів папоротеподібних

 

 

Мал. 73.Жук колорадський найвідоміший вид комах-шкідників в Україні

 

Елементарним компонентом будь-якого організму є клітина. У багатоклітинному організмі клітини утворюють тканини та органи, пристосовані для виконання різних функцій. Організмений рівень вивчають морфологія (анатомія, ембріологія), фізіологія, палеонтологія, генетика.

Популяційно-видовий рівень, елементами якого є популяція (від лат. популюс — народ) — сукупність особин одного виду, що живуть на спільній території (мал. 68, 69, 70, 71) та вид — сукупність особин, які вільно схрещуються і дають плодюче потомство (мал. 72, 73). Процеси, що відбуваються на ньому, пов’язані з розмноженням і первинними еволюційними перетвореннями організмів.

Популяційно-видовий рівень вивчається популяційною генетикою, біогеографією, систематикою, таксономією, екологією.

Нині на Землі налічується понад мільйон видів тварин та близько півмільйона видів рослин (пригадайте кількість видів грибів та бактерій). Кожен вид складається з окремих унікальних особин.

Приналежність особини до певного виду визначається за морфологічними, фізіологічними, екологічними та іншими критеріями. Найважливішою ознакою виду є генетична (репродуктивна) ізоляція, яка полягає у неможливості схрещування особин даного виду з представниками інших видів.

З часів К. Ліннея вид є основною одиницею систематики. Особливе значення виду серед інших систематичних груп (таксонів) зумовлюється тим, що у його угрупованні окремі особини існують реально. У складі виду в природних умовах особина народжується, досягає статевої зрілості і виконує свою головну біологічну функцію — репродукцію, забезпечуючи продовження роду. На відміну від виду, таксони надвидового рангу (рід, ряд, родина, клас тощо) не є «ареною» життя організму. Виділення їх у природних системах органічного світу відображає результати попередніх етапів історичного розвитку живої природи.

Вид — категорія історична, якісний етап еволюції. Кожний вид виник з іншого й існує, доки не зміняться умови. За нових умов він або загине, або, змінюючись, дасть початок іншим видам. Вид, як правило, охоплює багато популяцій. Ізоляція між ними майже ніколи не буває абсолютною. Між окремими популяціями відбувається обмін особинами завдяки міграціям. Ступінь ізольованості залежить від здатності особин до розселення, від наявності географічних перешкод у межах ареалу виду, характеру середовища існування. Так, наприклад, рослини, які ростуть під деревами, у лісостеповій зоні будуть представлені окремими ізольованими популяціями, а у лісовій цей вид матиме суцільне поширення і межі між популяціями буде важко окреслити. Ізольованість популяції залежить і від чисельності виду. Так, швидке зростання чисельності гризунів приводить до активного розселення, межі між окремими територіями популяцій можуть зникати.

Кожна популяція має певний віковий і статевий склад; чисельність особин в ареалі може коливатися від кількох сотень до кількох тисяч. Чим менша популяція, тим більша загроза її вимирання. (Наведіть приклади популяцій окремих видів рослин і тварин. Який їх кількісний склад?) За статевим складом популяція, як правило, характеризується однаковим співвідношенням самок і самців. (Пригадайте винятки з цього правила, поясніть їх причини).

Слід зазначити, що не тільки види рослин і тварин складаються з популяцій. У генетиці людини популяцією називають групу осіб, які займають певну територію і вільно одружуються. Межі, що розділяють людей від шлюбу, можуть бути не тільки географічні, але й соціальні, релігійні. Великі популяції людей, як правило, складаються не з однієї, а з кількох антропологічних груп, які відрізняються за походженням, і розселені на великій території. Для сучасних людських популяцій властиве зростання і руйнування шлюбних ізолятів, які існували раніше, наприклад географічних.

Біогеоценотичний (екосистемний) рівень, його елементарною одиницею є екосистеми — біогеоценози (від грец. біо — життя, гео — земля і ценос — загальний) — сталі угруповання популяцій бактерій, рослин, грибів, тварин, які пов’язані між собою ланцюгами живлення, а також середовищем їх існування. Біогеоценози утворюються в процесі історичного розвитку, для них характерна сталість. Цей рівень організації вивчає екологія, зокрема водні екосистеми — гідробіологія (від грец. гідро — вода і біологія). Головним об’єктом цих досліджень є потоки речовини та енергії.

Біосферний (від грец. біос — життя, сфера — шар) — найвищий рівень біологічної організації. Характерний для цього рівня процес — кругообіг речовин та енергії в біосфері, який забезпечує цілісність життя на Землі.

Біосфера — це сукупність усіх живих організмів разом із середовищем існування. Діяльність живих організмів поєднує всі оболонки Землі у єдину цілісну систему, де відбувається обмін речовин та енергії. Життя у біосфері підтримується за допомогою сонячної енергії, яку ви користовують зелені рослини у процесі фотосинтезу. Енергія світла перетворюється при цьому на хімічну.

 За останніми даними, верхня межа біосфери обмежується озоновим шаром і сягає 22 км над рівнем моря. В океанах нижня межа життя досягає глибини 10-11 км.У тверду земну оболонку (літосферу), де межа життя обмежується високою температурою, організми проникають на глибину 4-7 км. (Наведіть приклади живих організмів, які існують на межі біосфери.)

Біосфера — екосистема найвищого рівня. Сукупність усього живого називають живою речовиною. Всі живі організми планети утворюють біомасу, кількість якої за підрахунками різних науковців дорівнює близько 2,4-3,6 • 1012 т (97 % рослини, 3 % тварини, 0,0002 % — маса людства), що становить 0,01 % маси земної кори, або 0, 0000001 % маси планети. Але, незважаючи на цей незначний кількісний показник, роль живих організмів у процесах, які відбуваються на планеті, величезна, їх діяльністю зумовлені хімічний склад атмосфери, концентрація солей у гідросфері, у літосфері — утворення і руйнування гірських порід, формування ґрунтів тощо. Цікаво, що біомаса Світового океану в 1000 разів менша, ніж суходолу, оскільки використання сонячної енергії у воді становить 0,04 %, а на суходолі — 0,1-0,3 %.

З характеристики рівнів видно, що кожний наступний включає елементи попереднього, тому має місце певна ієрархія рівнів — їх супідрядність. На всіх рівнях проявляються ознаки життя, причому життєві процеси більш високого рівня забезпечуються структурами нижчого.

Багаторівневість, що формується з підпорядкованих одна одній підсистем, підвищує надійність системи взагалі, оскільки будь-які помилки на нижчому рівні організації коригуються на більш високому рівні.

Разом з тим, багаторівневість організації об’єднує живе на планеті в єдине ціле, тому вплив на ключові ланки одного з рівнів може позначитися на всій системі. Наприклад, гіпотетичне потепління води у Світовому океані до критичної позначки понад +30 °С спричинить загибель водоростей-симбіонтів коралів. (Пригадайте, до якого типу живих істот належать корали і що таке симбіонт.) Це призведе до вимирання коралових рифів, глобального зменшення біологічної продуктивності у біосфері й різкого підвищення рівня вуглекислого газу в повітрі, а згодом до трагедії планетарного масштабу.

Живу природу вчені розглядають як ієрархічну систему структурних рівнів організації. На всіх рівнях — молекулярному, клітинному, організменому, популяційно-видовому, біогеоценотичному (екосистемному), біосферному — виявляються ознаки життя, причому життєві процеси вищого рівня забезпечуються структурами нижчого.

Біологічні системи характеризуються особливими властивостями, серед яких найважливішими є цілісність, відкритість та багаторівневість організації.

Відмінність живого від неживого

 

Інформація до роздумів. Одне з найпростіших і водночас найбільш складних питань біології та інших природничих наук, а також філософії: що таке життя.

Парадоксальне явище: наші предки з легкістю могли відрізнити живе від неживого, сучасна ж система знань про світ така, що чим більше ми знаємо про природу речей, тим складніше дати відповіді на основне питання біології: чим живе відрізняється від неживого і що є життя?

Існує ряд властивостей живого, якими традиційно описують відмінності живої речовини від неживої. Однак кожну з них, як виявилося, можна застосувати і для опису неживого об’єкта (табл. 1).

 

Таблиця 1

 

Властивості живого

Їх прояв у неживій природі

Рух — переміщення у просторі.

Рухаються електрони навколо ядра кожного атома. Рухаються світло й звук, краплі дощу, маси води океану, потоки вулканічної лави, зірки й планети тощо.

Подразливість —

здатність об’єкта реагувати на зміну навколишніх умов.

Перетворення краплі води в хмарину пари при підвищенні температури, руйнування гори під дією вітру— це реакція об’єкта на зміну умов навколишнього середовища.

Живлення — процес поглинання речовин, необхідних для функціонування об’єкта.

Робота, наприклад, електричної лампочки передбачає поглинання нею електрики.

Виділення — виведення назовні кінцевих та проміжних продуктів метаболізму.

Вихлопні гази — продукти розпаду, що виділяються при функціонуванні автомобіля.

Ріст — збільшення розмірів тіла.

Кристал солі росте, збільшуючись і «живлячись» насиченим сольовим розчином.

Розмноження —

здатність до самовідтворення.

Здатність до розмноження і самовідтворення властива також, наприклад, комп’ютерним вірусам.

Народження й смерть.

Галактика, до якої належить наша планета Земля, називається Чумацький Шлях. Вона народилася 12 мільярдів років тому. Як і все, що існує у Всесвіті, коли-небудь ця галактика перестане існувати. А ізотоп Йоду-131 існує всього 8 діб — від народження до смерті. Будь-яка побутова техніка має час «народження» і час «смерті». Наприклад, холодильник після поломки перестає бути холодильником, ателевізор — телевізором.

Що таке життя з точки зору фізики

Інформація до роздумів. Як вже зазначалося, життя організмів, так само як і неживих тіл, чітко підкорюється законам фізики. А тому здається, що на рівні фізичних законів відрізнити живі істоти від неживих тіл неможливо. Разом з тим, як вважають фізики, головна відмінність живого від неживого лежить у площині термодинаміки, оскільки, відповідно до законів фізики, в будь-якій системі рано чи пізно настає термодинамічна рівновага. Це означає, що будь-яка фізична система прагне до максимального рівня своєї ентропії ( від грец. ентропія — перетворення) — хаотичності й невпорядкованості, який і вважається станом абсолютної фізичної рівноваги. Життя постійно бореться з хаосом, саморуйнуванням і саморозпадом. Це проявляється в тому, що за рахунок вільної енергії із простих речовин постійно відбувається синтез складних речовин, завдяки чому організми не просто підтримують своє існування, а утворюють собі подібних (розмножуються). Саме тому, на противагу поняттю ентропії, яка є мірою хаотичності будь-якого процесу, було запропоноване поняття негентропії (від англ. негатив — негативний і ентропія) як руху до впорядкування та самоорганізації системи.

У зв’язку з цим цікаво проаналізувати визначення поняття «життя», які сформулювали вчені, що працювали на стику біології й фізики.

Так, видатний австрійський вчений Е. Шредингер (1887-1961) зазначав: «Життя — це впорядкована й закономірна поведінка матерії, заснована не лише на тенденції переходити від упорядкованості до невпорядкованості, але й частково на існуванні впорядкованості, яка підтримується увесь час», «Жива матерія уникає переходу до рівноваги».

Німецький науковець Е. Лібберт стверджував: «...живими називаються ті системи, що здатні самостійно підтримувати й збільшувати свій високий ступінь упорядкованості в середовищі з меншим ступенем упорядкованості. Такі процеси є процесами з негативною ентропією (негентропійними процесами)».

Російський вчений В.О. Енгельгардт (1894-1984) у своїх роботах доводив, що «саме у здатності живого створювати порядок з хаотичного теплового руху молекул полягає найглибша, корінна відмінність живого від неживого. Тенденція до впорядкування, до створення порядку з хаосу є не що інше, як протидія зростанню ентропії».

Біоплівки. Соціальна поведінка бактерій

 

Інформація до роздумів. Жоден організм не може жити уособлено. Це стосуються навіть найпримітивніших істот. За останніми досягненнями мікробіології, уявлення про бактерій як про одноклітинні поодинокі організми суттєво змінилися. На зламі XX і XXI ст. було встановлено, що найбільш природною формою існування мікроорганізмів є біоплівка — своєрідне колоніальне утворення. Усередині біоплівки мікроорганізми проявляють різні форми соціальної поведінки: здатність до спілкування, формування багатоклітинного колективу, структура якого нагадує співтовариства вищих тварин. Деякі властивості біоплівок навіть дозволяють порівнювати взаємини мікроорганізмів усередині неї з людським соціумом. Вивчення біоплівок привело до досліджень на стику мікробіології й етології, у тому числі соціальної етології й етології людини. У 1972 р. було навіть запропоновано термін «етологія бактерій».

Зараз встановлено, що у стані біоплівки перебуває 90 % мікроорганізмів і тільки 10 % припадає на вільне істинно одноклітинне існування. Біоплівки утворюються виключно у природі. В умовах культивування в штучному середовищі бактерії залишаються поодиникими істотами, навіть якщо вони ростуть у вигляді бляшок і плівок.

Така форма існування, як біоплівки, має всі переваги колективного існування. Найцікавіше явище в біоплівках — колективна поведінка й соціальні зв’язки мікроорганізмів, а також біохімічна «мова спілкування» учасників такого співтовариства: мікробіологи інколи порівнюють різноманітність низькомолекулярних хімічних сполук, за допомогою яких спілкуються мікроорганізми, зі словниковим запасом людини. Ще один яскравий порівняльний образ, який використовують мікробіологи, що вивчають біоплівки, — «мікробні міста», покликані створювати різного роду «зручності» для їх мешканців.

Біоплівки виникають тільки на межі розділу фаз: рідини й повітря, рідини й твердих тіл, твердих тіл й повітря, а також на межі двох різних рідин. Біоплівка виглядає наступним чином: безліч мікроорганізмів, сполучених густою речовиною, — матриксом, що складається з біополімерів. Матрикс продукують самі ж мікроорганізми — учасники співтовариства. Він формується в результаті злиття зовнішніх шарів індивідуальних клітинних оболонок. До складу матрикса можуть входити різні полісахариди, глікопротеїди, ліпосахариди, білки. У складі біоплівок бактерії об’єднані складними міжклітинними зв’язками, тому таке співтовариство мікроорганізмів цілком можна розглядати як аналог багатоклітинного організму.

Будова біоплівки може бути дуже різноманітною: у формі бляшки або тонкої плівки, що покриває всю поверхню об’єкта, існують плівки з виростами й зубцями, які нагадують шпилі й вежі середньовічного міста. Трапляються біоплівки завтовшки до 30 сантиметрів (наприклад, відомий багатьом «чайний гриб» — біоплівковий симбіоз ацетатних бактерій і дріжджів багатьох видів). Одна з найвідоміших біоплівок — зубний наліт.

Утворення біоплівки контролюється спеціальними генами, які змінюють свою активність, реагуючи на об’єднання мікроорганізмів. Мешканці «мікробного міста» набагато краще захищені від несприятливих умов, ніж поодинокі бактерії. Особливо ефективний захист бактерій усередині біоплівки від дії антибіотиків, які не можуть до них «дістатися» крізь матрикс.

Мікроорганізми поєднуються в співтовариства, де ряд функцій вони виконують разом і де існує чіткий розподіл обов’язків. Така поведінка бактерій схожа на соціальну поведінку комах — бджіл, мурах.

Виявляється, усі хронічні інфекційні захворювання пов’язані з формуванням біоплівок. Коли вони досягають певного розміру, від біоплівок починають відриватися частки, які з током крові або шлунково-кишковим трактом розносяться в організмі. У результаті відбувається утворення нових осередків запалення.

Багато мікроорганізмів стають вірулентними тільки у вигляді біоплівок, наприклад, зростання випадків «хвороби легіонерів» — легіонельоз. У випадку, якщо в організм людини потрапляють поодинокі бактерії, імунітет без особливих труднощів справляється з ними. Однак ці бактерії утворюють біоплівки, наприклад, усередині кондиціонерів — на межі твердої поверхні й повітряного середовища. У випадку, якщо відірваний шматок цієї біоплівки потрапить в організм людини, імунна система виявляється не здатною протистояти такому інфекційному удару.

Саме біоплівки викликають «лікарняні» інфекції, багато післяопераційних ускладнень й інфікування штучних імплантатів. Наприклад, бактерії синьогнійної палички здатні утворювати стійкі біоплівки у швах між кахелем, де стають не вразливими до дії більшості дезінфікуючих засобів. Оскільки біоплівки патогенних мікроорганізмів утворюються на межі різних середовищ, тому ймовірне виникнення таких колоній на поверхні штучних імплантатів: на кардіостимуляторах, штучних суглобах, стінках судин, протезах, катетерах тощо. Біоплівки часто утворюються на поверхні контактних лінз — із цим пов’язана необхідність ретельної стерилізації останніх. Бактеріальні біоплівки також оселяються на поверхні хірургічних інструментів, де успішно протистоять стерилізації, тому найкращим засобом боротьби із цим явищем є використання одноразових інструментів. Але вони не тільки завдають шкоду. Наприклад, біоплівка нормальної мікрофлори шлунково-кишкового тракту захищає наші слизові від агентів, що можуть їх ушкодити.

Біоплівки не обов’язково утворюються з однакових мікроорганізмів. Існують співтовариства, до складу яких належать не тільки різні види бактерій, а й бактерії з різними властивостями (грампозитивні і грамнегативні), а також гриби й найпростіші.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити