Структурные уровни биологической организации материи на Земле
Биология в контексте интеллектуальной культуры. Классификационные системы в биологии
План лекции
Лекция 8. Эволюционная концепция биологического уровня организации материи
1. Биология в контексте интеллектуальной культуры. Классификационные системы в биологии.
2. Структурные уровни биологической организации материи.
3. Генетика и эволюция.
4. Синтетическая теория эволюции биологических структур материи. Макро- и микроэволюция.
Современная биология – это совокупность наук о живой природе.
Мы выделим три среза естественнонаучной картины мира для живой природы. С точки зрения стратегий познания, к классическому естествознанию следует отнести натуралистскую биологию, к неклассическому физико-химическую биологию, к эволюционной концепции стрел времени – эволюционную биологию.
В качестве центральной темы мы особое внимание уделим биологии человека, опираясь на экобиологию, как науку о ценности живой природы в интеллектуальной культуре личности и общества.
Обсудим, прежде всего, что же такое натуралистская биология как реализация классической стратегии познания природы. Объектом изучения в ней всегда была и остается живая природа в её естественном состоянии. Её методом стало тщательное наблюдение и описание явлений живой природы, а главной задачей их систематизация. Фундаментальный вклад в её решения внес К. Линней, с именем которого связано введение бинарной (в терминах рода и вида) номенклатуры живых объектов, а также принципа иерархического соподчинения таксонов и наименования таксонов – царства, типы, классы, отряды, семейства, роды, виды. Так человек по классификационной системе К. Линнея относится к царству животных, подцарству многоклеточных животных, к типу позвоночных, подтипу черепных, классу млекопитающих, отряду приматов, подотряду человекоподобных высших обезьян, надсемейству человекоподобных приматов, семейству людей, роду – человек, виду – человек разумный (homo sapiens).
Натуралистская биология продолжает играть важнейшую роль и сегодня. Объектом изучения биологов – натуралистов является живая природа в её целостном виде, во всём многообразии и сложности составляющих её объектов и явлений. В наши дни такой подход к живой природе находит отражение в усилении роли не только биоэкологии, но и глобальной экологии, которая ныне занимает чуть ли не господствующее положение не только в биологии, но и во всем естествознании.
Разнообразие живого поражает любое воображение. Мы приведём классификацию крупных систематических групп живых организмов в физико-химической биологии только по типу питания, опираясь на таксоны в виде надцарств в структурном плане отличия живого от неживого клеточным строением.
Прокариотами (лат. pro – вперед, вместе и греч. karyon – ядро) называются организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром.
Эукариотами (греч. еu – хорошо и karyon – ядро) называются организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделённое оболочкой от цитоплазмы.
С экологических позиций взаимосвязи всего живого с живым и обмена веществом и энергией важно охарактеризовать следующие группы организмов.
Схема 56. Типы питания крупных систематических групп живых организмов (по А.Л. Тахтаджяну, 1976, с изменениями).
| Надцарства | Царства | Подцарства | Автотрофы | Гетеротрофы | ||
| фото-трофы | хемо-трофы | био-трофы | сапротрофы | |||
| Прокариоты | Дробянки | Бактерии | + | + | + | + |
| Архебактерии | + | + | + | + | ||
| Цианобактерии | + | + | - | - | ||
| Эукариоты | Растения | Багрянки | + | - | - | - |
| Настоящие водоросли | + | - | - | - | ||
| Высшие растения | + | - | очень редко | ? | ||
| Грибы | Низшие | - | - | редко | + | |
| Высшие | - | - | редко | + | ||
| Животные | Простейшие | - | - | + | очень редко | |
| Многоклеточные | - | - | + | + |
Автотрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических – углекислого газа, воды, минеральных солей.
В зависимости от источника энергии автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фототрофы – организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, бактерии). Хемотрофы – организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (бактерии).
Гетеротрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий). По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов и сапротрофов. Биотрофы питаются живыми организмами. Сапротрофы используют в качестве пищи органические вещества мертвых тел или выделение (экскременты) животных.
Некоторые живые организмы в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Они называются миксотрофами (насекомоядные растения, представители отдела энгленовых водорослей и др.).
Важно также отметить, что как на уровне неживой материи, так и живой материи дисимметрия творит явление, не только в функциональном, но и в структурном плане. Фундаментальным признаком, присущим только живой материи, её неотъемлемым свойством является дисимметрия «право-лево» биомолекул, т.е. отсутствие зеркальной симметрии, называемое молекулярной хиральностью (киральностью). Дисимметрия является одним из важнейших признаков эволюции (развития) объектов и явленийВселенной в их вещественной основе, включая в этот эволюционный процесс и эволюционную биологию.
Человек, как существо биосоциокультурное, естественно в своей интеллектуальной культуре особое внимание обязан уделить изучению структурных уровней организации живой материи, явно осознавая, что стремление человека к удовлетворению своих потребностей (витальных, социальных, идеальных и самоценных) неотделимо от его знания и отношения с окружающей средой.
Структурные уровни организации живой материи имеют достаточно сложную, многоуровневую систему. Мы выделим четыре главных структурных уровня биологической организации материи и в соответствие со структурной иерархией живой материи каждое последующее системное образование должно входить в предыдущее (см. схему 57).
Схема 57. Структурные уровни биологической организации материи.
|
|
|
|
|
| БИОСФЕРА Область активной жизни на Земле, включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. | Биосферный (биогеоценотический) уровень организации |
| ЭКОСИСТЕМА Единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания. | |
| БИОГЕОЦЕНОЗ Определенный участок земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов в динамическом взаимодействии между ними. | |
| БИОЦЕНОЗ Совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды (биотоп) с однотипными условиями жизни и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособляемостью к внешней среде. | |
| ВИД Совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и обладающих рядом общих признаков. | Популяционно-видовой кровень организации |
| ПОПУЛЯЦИЯ Совокупность особей данного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. | |
| ОРГАНИЗМЫ Индивиды, особи – дискретные неделимые и целостные единицы жизни на Земле. Характеризуются онтогенезом – индивидуальным развитием организма, совокупностью преобразований организма от зарождения до конца жизни. Все эукариоты (одноклеточные и многоклеточные) обладают так называемыми биологическими часами, т.е. способностью измерять суточные, лунные и сезонные циклы | Онтогенетический уровень организации |
| ОРГАНЫ, ТКАНИ Дискретные, «неделимые» и целостные единицы физиологии многоклеточных, образующие, в частности, нервную и эндокринную системы управления и системы саморегуляции, обозначаемые термином гомеостаз. | |
| КЛЕТКИ Фундаментальные частицы в биологии, представляющие собой элементарную живую систему – основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. «Заводы жизни». | |
| БИОПОЛИМЕРЫ Биологические вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев (прежде всего белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки-ферменты, гормоны, полисахариды). | Молекулярно-генетический уровень организации |
| БИОМОЛЕКУЛЫ Углеводы, липиды, нуклеотиды, аденозинфосфорные кислоты (АТФ), небелковые гормоны, витамины, аминокислоты и т.д. | |
| НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (ПРЕЖДЕ ВСЕГО ВОДА), БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. | |
| МОЛЕКУЛЫ, АТОМЫ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. |
Все структурные уровни биологической организации материи на Земле естественно взаимосвязаны с геохронологической стрелой (шкалой) времени, из которой возникает биологическая стрела времени, опираясь на концепцию биохимического единства живого, развитую в 1920-х годах благодаря трудам голландских микробиологов А. Кловера и Г. Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонних исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего живого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др.
Биологическая стрела времени опирается на гипотезу о возникновении жизни как естественном этапе саморазвития земной материи и при её рассмотрении необходимо поэтапно рассмотреть эволюцию на молекулярно-генетическом, онтогенетическом, популяционно-видовом и биогеоценотическом уровнях структурной биологической организации земной материи. Определяющей концепцией такого рассмотрения является генетическая гипотеза происхождения живого.