Проявление главных свойств жизни на разных уровнях ее организации. Проявление главных свойств жизни по уровням ее организации
В § 1.3 мы рассмотрели главные свойства жизни. В данный момент полезно еще раз вернуться к этому вопросу с учетом представлений о многоуровневой организации.
Среди перечисленных выше свойств дискретность, структурированность, вещественно-энергетическая открытость, противоэнтропийная направленность характеризуют в равной степени гены, клетки, особи, популяции, биогеоценозы, проявляясь, таким образом, на всех уровнях. Вместе с тем такое свойство, как наличие генотипа и фенотипа, прямо относится лишь к организменному уровню и, возможно, к клеточному. Нетрудно, однако, видеть, что и оно является всеобщим, определяющим жизнь как таковую. Действительно, генотипы представляют собой совокупность генов. С другой стороны, генотипы особей, принадлежащих одной популяции, образуют ее генофонд. Именно этот генофонд служит источником генотипов организмов каждого следующего поколения.
Биоценозы, в свою очередь, представляют собой не случайные ассоциации организмов разных видов, а исторически сложившиеся сообщества взаимоприспособленных организмов. Взаимоприспособленность складывалась в процессе эволюции живого населения определенной территории и закреплена наследственно в генофондах соответствующих популяций. Совокупность таких генофондов составляет генофонд биогеоценоза. Непосредственными носителями биологической (генетической) информации являются нуклеиновые кислоты и белки, составляющие элементарную основу соответственно генотипа и фенотипа. С учетом рассуждении, приведенных выше, наличие информационных макромолекул с полным основанием рассматривают как специфическую общую характеристику не только клетки или организма, но и жизни в целом.
Традиционно способность к росту как одно из свойств живого относят к организму, связывая его с индивидуальным развитием последнего. На самом деле закономерные циклы развития, включающие изменения размеров, характеризуют элементарные структуры всех уровней. Редупликация ДНК, образование четвертичных структур белков за счет объединения отдельных полипептидов в функциональный комплекс, рост клетки между делениями и особи в процессе онтогенеза, изменение численности особей в популяции, сукцессия биогеоценоза с достижением им климаксного состояния - вот примеры, обосновывающие приложимость названного свойства ко всей области жизни.
Результатом закономерных циклов развития элементарные структур разных уровней организации жизни нередко, действительно, бывает увеличение их количества, т.е. размножение в буквальном смысле. Редупликация приводит к увеличению числа молекул ДНК, клеточные циклы -количества клеток, размножение на популяционном уровне - числа особей. Вместе с тем размножение в биологическом понимании - это обязательно воспроизведение в известных пределах колебаний определенной внутренней организации. Принцип воспроизведения «себе подобного» лежит в основе сохранения во времени элементарных структур всех уровней и, следовательно, тех элементарных явлений, которые с ними связаны. На молекулярно-генетическом уровне это двойная спираль ДНК, клеточном -клетка, онтогенетическом - особь данного биологического вида, популяционно-видовом - популяция с присущим ей генофондом, возрастной и половой структурой, биогеоценотическом - определенный видовой состав, включающий продуценты, консументы, деструкторы.
Любая упорядоченность возникает на основе информации, которая и воспроизводится в соответствующей структуре. Первичная биологическая информация записана в молекулах нуклеиновых кислот. Расчеты показывают, однако, что ее одной недостаточно для кодирования всего многообразия живых структур от белковых молекул до различных биоценозов. Необходимая дополнительная информация появляется в биологических структурах в процессе их развития вследствие того, что они являются самоорганизующимися системами. Законы, которым следуют эти системы, изучает междисциплинарное направление науки - синергетика.
Самоорганизующиеся системы отличаются низкими значениями энтропии, т.е. находятся далеко от состояния термодинамического равновесия. Подобное неравновесное состояние поддерживается благодаря потокам энергии и веществ, проходящих через названные системы. Процессы в самоорганизующихся системах сопровождаются рассеиванием энергии, в связи с чем их называют диссипативными.
Важная черта диссипативных систем - целостность. Она проявляется в том, что поведение элементов в этих системах определяется в большей мере структурой самой системы и в меньшей - их собственными свойствами. В своем развитии системы проходят ряд устойчивых состояний, разделенных периодами неустойчивости, с которыми связано возникновение новой информации. В каждом из таких периодов возможен выбор между несколькими вариантами дальнейшего развития, однако в целом процессу развития свойственна эквифинальность, т.е. закономерное достижение определенного конечного результата. В периоды неустойчивости система отличается повышенной чувствительностью к действию разнообразных факторов (критические периоды ).
Описанными выше чертами обладают такие биологические системы, как геном, клетка, организм, популяция, биогеоценоз. Всем им присуща способность к воспроизведению собственной структуры.
В основе проявлений жизни как особого явления лежит генетическая информация ДНК клеток. В ходе развертывания этой информации по законам, характерным для самоорганизующихся диссипативных систем, воссоздается иерархия биологических структур соответственно главным уровням организации жизни с типичными для них элементарными единицами и явлениями. Благодаря последним происходит процесс эволюции живой природы, сохраняющий жизнь на планете вот уже более 3,5 млрд. лет.
Нами были рассмотрены свойства жизни как особого природного явления. Полезно вернуться к этой теме с учетом представлений о многоуровневой организации жизни.
Такие свойства, как дискретность, структурированность, противоэнтропийная направленность, вещественно-энергетическая открытость в равной мере присущи клеткам, особям, популяциям и биоценозам (экосистемам), т.е. проявляют себя на всех уровнях.
Наличие генотипа и фенотипа формально характеризует элементарные единицы клеточного и организменного уровней. Однако и это свойство относится к жизни в целом, так как генотипы как совокупности генов особей на уровне популяций объединяются в генофонды, которые являются источником генов для особей следующего поколения.
Биоценозы представляют собой не случайные ассоциации популяций особей разных видов, а исторически складывающиеся сообщества взаимоприспособленных организмов разного типа структурно-функциональной организации разного места в «экономики» природы. Взаимоприспособленность как следствие коэволюции живого населения определенной территории закреплена наследственно в генофондах соответствующих популяций. Совокупность таких генофондов может рассматриваться в качестве общей генетической предпосылки существования биоценоза. Биологическая информация генотипов соответствует потенциальной, а фенотипов – актуализированной, действующей информации. Те же соотношения распространяются на биологическую информацию генофондов популяций и экосистем, с одной стороны, и информацию, актуализированную в фенотипах членов популяции или биоценоза, - с другой.
Непосредственными носителями генетической информации являются НК и белки, составляющие элементарную макромолекулярную основу, соответственно, генотипа и фенотипа. С учетом предыдущих рассуждений наличие информационных макромолекул с полным основанием рассматривается в качестве необходимой характеристики не только клетки или организма, но и распространяется на всю область жизни.
Способность к росту связывают с онтогенезом. Но закономерные циклы развития, включающие изменения размеров, объемов или распространенности (например, по территории), характеризуют элементарные единицы всех уровней. Репликация ДНК, образование четвертичных структур белков путем объединения полипептидов в функциональный комплекс, рост клетки между делениями, изменение численности особей в популяции, сукцессия биогеоценоза – вот примеры приложимости рассматриваемого свойства ко всем областям жизни.
Результатом динамики во времени элементарных единиц разных уровней организации жизни нередко бывает увеличение их количества, т.е. размножение в буквальном смысле. Репликация приводит к увеличению числа биспиралей ДНК, митотические циклы – количества клеток, размножение на популяционном уровне – числа особей. Вместе с тем размножение в биологическом понимании – это обязательно самовоспроизведение. Универсальный биологический принцип «воспроизведения себе подобного» лежит в основе сохранения во времени элементарных структур всех уровней и, следовательно, тех элементарных явлений, которые с ними связаны. На молекулярно-генетическом уровне – это двойная спираль ДНК, клеточном – клетка, онтогенетическом – особь, популяционно-видовом – популяция с присущим ей генофондом, возрастной и половой структурой, биогеоценотическом – определенный видовой состав, включающий «своих» продуцентов, консументов и деструкторов. Во всех приведенных примерах самовоспроизведение сопряжено с определенной степенью изменчивости.
Упорядоченность возникает на основе информации, которая, собственно, и воспроизводится в соответствующей структуре или процессе. Первичная («потенциальная») биологическая информация записана в молекулах ДНК. Расчеты показывают, что ее одной недостаточно для кодирования всего многообразия живых структур и комплексов от белковых молекул до биоценозов. Дополнительная информация появляется вследствие того, что живые объекты относятся к категории САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ. Важная черта последних состоит в их целостности, которая проявляется в том, что поведение и судьба элементов, строящих систему, в большей степени определяется ее структурой и в меньшей – свойствами самих элементов. В своем развитии такие системы проходят ряд устойчивых состояний, разделенных периодами неустойчивости (критические периоды), с которыми связано приобретение дополнительной информации. В каждом из таких периодов, отличающихся повышенной чувствительностью к действию внешних агентов, происходит выбор варианта дальнейшего развития.
Эквифинальность, т.е. закономерное достижение системой в итоге развития требуемого результата, определяется внутренне присущими ей «правилами», в соответствии с которыми осуществляются многократные последовательные взаимодействия и изменения элементов разных уровней. Примером поведения самоорганизующейся системы является упорядоченная динамика структур и сменяемость стадий в эмбриональном состоянии.
Воссоздание любой структуры сопряжено с выполнением работы. Принцип адекватного энергообеспечения биологических процессов на основе универсального переносчика энергии (АТФ), проявляется на всех уровнях организации жизни.
ВСПОМНИТЕ
Вопрос 1. Какие свойства живого вам известны?
Живая материя характеризуется следующими свойствами:
Обмен веществ
Саморегуляция
Развитие и изменчивость
Способность к размножению
Наследственность
Раздражимость
Вопрос 2. Какие типы регуляции процессов жизнедеятельности у животных вам известны?
Выделяют нервную и гуморальную регуляцию процессов жизнедеятельности у животных.
ВОПРОСЫ К ПАРАГРАФУ
Вопрос 1. Охарактеризуйте проявление основных жизненных свойств человека на клеточном и организменном уровне.
Структурными элементами клеточного уровня являются структурные части клетки – молекулы и их комплексы, создающие поверхностный аппарат, ядро и цитоплазму с органоидами. Взаимодействие между ними обеспечивает целостность клетки в проявлении ее свойств как живой системы в отношениях с внешней средой.
Основные процессы клеточного уровня, присущие только этому уровню организации жизни, возникли в ходе эволюции живой материи: обмен веществ (метаболизм); поглощение и, следовательно, включение различных химических элементов Земли в содержимое живого организма; передача наследственной информации от клетки к клетке; накопление изменений в генетическом аппарате как отражение опыта взаимодействия со средой; реагирование на раздражения при этом взаимодействии.
Вопрос 2. Что такое гомеостаз и что лежит в его основе?
Важнейшим свойством любой живой системы является саморегуляция. У человека проявление данного свойства выражается в деятельности всех структур организма, направленной на поддержание относительного постоянства их состава, структуры и функционирования - гомеостаза. Именно на поддержание гомеостаза направлена согласованная работа функциональных систем организма человека в реальных изменяющихся условиях его жизни.
Вопрос 3. В чем выражается нейрогуморальная регуляция процессов жизнедеятельности человека?
Согласованная работа организма управляется нервной системой и железами внутренней секреции (гуморально). Они работают как единое целое - нейрогуморальная регуляторная система. Нервная регуляция осуществляется очень быстро: к органу по нервным клеткам приходят электрические сигналы, называемые нервными импульсами. Вот эти-то нервные импульсы или усиливают работу органа, или тормозят её. Электрические сигналы распространяются по нервам с огромной скоростью (до 100 м/с), но действуют только в тот момент, когда подходят к органу, то есть их эффекты краткосрочны.
Гуморальная регуляция происходит при помощи особых веществ - гормонов чаще всего выделяемых специальными железами. Эти вещества разносятся кровью по всему организму и способны, взаимодействуя с клетками различных органов, регулировать их работу. Конечно, на выработку этих веществ и их перенос с током крови требуется больше времени, чем на распространение нервных импульсов, поэтому гуморальная регуляция более медленная по сравнению с нервной. Но зато воздействие этих веществ на работу органов и тканей более продолжительно.
Вопрос 4. Что такое рефлекс? Приведите примеры рефлексов у человека.
Рефлекс - это ответная реакция организма на какое-либо воздействие, происходящая при участии нервной системы. Примером может служить отдёргивание руки от горячего предмета. Путь, по которому осуществляется рефлекс, называют рефлекторной дугой. Он представляет собой последовательно соединённую цепочку нервных клеток - нейронов: чувствительных, вставочных и двигательных. Для осуществления рефлекса необходима целостность рефлекторной дуги. Выключение её звена ведёт к исчезновению рефлекса.
Примерами рефлексов могут служить надбровный и коленный рефлексы.
1. На основании анализа материала параграфа и результатов самонаблюдений еде сделайте вывод о различии между нервной и гуморальной регуляцией.
Две системы – нервная и гуморальная – различаются следующими свойствами.
Во-первых, нервная регуляция целенаправленна. Сигнал по нервному волокну приходит в строго определенное место, к определенной мышце, или к другому нервном центру, или же к железе. Гуморальный сигнал распространяется с током крови по всему организму.
Во-вторых, нервный сигнал быстрый, он движется к другому органу, т. е. к другой нервной клетке, мышечной клетке или клетке железы со скоростью от 7 до 140 м/с, задерживаясь при переключениях в синапсах лишь на одну миллисекунду. Благодаря нервной регуляции мы можем сделать что-либо «в мгновение ока». Содержание в крови большинства гормонов увеличивается лишь через несколько минут после стимуляции, а максимума может достигать только через десятки минут. В результате наибольший эффект гормона может наблюдаться через несколько часов после однократного воздействия на организм. Таким образом, гуморальный сигнал медленный.
В-третьих, нервный сигнал краткий. Как правило, залп импульсов, вызванный стимулом, длится не более долей секунды. Это так называемая реакция включения.
Основные отличия нервной регуляции от гуморальной следующие: нервный сигнал целенаправленный; нервный сигнал быстрый; нервный сигнал краткий.
2. Подготовьте сообщение о рефлексах человека.
РЕФЛЕКСЫ ЧЕЛОВЕКА
Рефлексы играют большую роль в жизнедеятельности любого существа. Такое огромное их значение не случайно, ведь именно нервная система играет ведущую роль в восприятии окружающего мира. С ее помощью индивид может, как восхищаться, так и защищаться от внешней среды. Рефлексы человека становятся незаменимы именно для реализации такой защиты. В качестве примера можно вспомнить отдергивание руки от горячих поверхностей.
Рефлекс является основной реакцией организма на окружающую среду. Его реализация невозможна без участия нервной системы. Таким образом, происходит поведенческая реакция в ответ любой тип раздражителя, который воздействует на нервные окончания.
Путь, по которому проходят импульсы от раздражения и ответ на него называются рефлекторной дугой. Самое простое такое образование должно состоять не менее чем из двух таких путей. Один из них является чувствительным, а второй двигательным. Таким образом, реализуется отдергивание руки от горячего: сначала ощущается раздражитель, а потом происходит движение. Эти морфологические взаимосвязанные образования обеспечивают восприятие, передачу и переработку сигналов организмом.
Любое воздействие на организм будет тщательно проанализировано последним и трансформировано в нервный импульс. После этого он будет отправлен в центральную нервную систему и передаст необходимую информацию обо всех изменениях всему организму. Стоит заметить, что весь этот сложный процесс занимает всего долю секунды.
Благодаря рефлексам обеспечивается точное ориентирование любого организма во времени и пространстве, нахождение им пищи и избегание опасности.
Таким образом, значение рефлекса сводится к обеспечению следующих задач:
1. Взаимодействие всех внутренних органов и систем как единого целого;
2. Согласованная работа разных по функции органов;
3. Обеспечение ответа организма на действие внешней среды;
4. Функционирование коры головного мозга.
Реакций организма существует настолько много, что возникла необходимость классифицировать их. Рассмотрим, какие бывают рефлексы у человека.
Прежде всего, их можно разделить по значению для сохранения биологического вида на:
1. Оборонительные;
2. Половые;
3. Ориентировочные.
Также рефлексы могут усиливать или, наоборот, тормозить деятельность эффектора. В качестве яркого примера можно упомянуть, что симпатическая нервная система учащает биение сердца, а блуждающий нерв - урежает.
Любой живой организм реагирует на раздражители множеством способов. В связи с этим в науке возникла необходимость выделить виды рефлексов человека. В основном принято разделять их на две большие группы по типу образования: условные и безусловные.
Безусловные рефлексы присущи всем живым организмам с рождения, то есть их не нужно изучать или прилагать усилия для применения. Чаще всего, при срабатывании безусловного рефлекса, кажется, что действие произошло само собой. В качестве примера таких реакций можно выделить сосательный, защитный, половой и другие рефлексы. Их цель - обеспечить выживаемость организма для продолжения рода и приспособиться к условиям окружающей среды.
Появление таких стереотипных реакций связано с эволюционным развитием видов живых существ. Реакция организма при безусловном ответе осуществляется на уровне спинального и низших структур головного мозга.
Обычно безусловные рефлексы настолько устойчивы, что не меняются и не исчезают у человека в течение всей жизни. Кроме того, они специфичны для одного биологического вида.
Условные рефлексы вырабатываются живым организмом в течение некоторого времени. Другими словами, это приспособительное поведение для того чтобы адаптироваться к многократному влиянию раздражителя. Естественно, что такой вид рефлекторной реакции будет отсутствовать у новорожденного.
Также условные рефлексы способны угасать, если на протяжении некоторого времени они не подкреплялись действием раздражителя. Выделяют такие виды условных рефлекторных реакций:
Натуральные. Вырабатываются на раздражители на основе безусловного рефлекса. Таким образом, человек знает, как пахнет тот или иной продукт. Даже если еда не будет иметь запаха, рефлекс создаст ложное его ощущение;
Искусственные. Разновидность условного рефлекса, которая заключается в ответе на стимул, который в обычных условиях не сочетается с безусловным рефлексом.
Экстероцептивные. Обеспечивают адаптацию организма к раздражителям из внешней среды;
Интероцептивные. Обеспечивают адаптацию к химическим и физическим раздражителям для обеспечения функционирования внутренних органов.
Для того чтобы сформировать условно-рефлекторный ответ необходимо пройти несколько шагов:
1. Наличие двух типов раздражителей и появление условного прежде безусловного;
2. Многократное чередование раздражителей между собой;
3. При этом безусловный стимул должен всегда оставаться сильнее;
4. В момент выработки новой реакции организма не должно быть сторонних раздражителей;
5. Все это реализуется при условии, что нервная система не имеет патологий и нормально функционирует.
ПОДУМАЙТЕ!
Почему виды регуляции нельзя противопоставлять друг другу?
Гуморальная регуляция тесно связана с нервной и образует совместно с ней единый нейрогуморальный механизм регуляторных приспособлений организма. Нервные и гуморальные факторы столь тесно переплетаются друг с другом, что всякое противопоставление их недопустимо, как и недопустимо расчленение процессов регуляции и координации функций в организме на автономные, ионные, вегетативные, анимальные компоненты. Все эти виды регуляции настолько тесно связаны друг с другом, что нарушение одного из них, как правило, дезорганизует и остальные.
