иерархическая система жизни. понятие об уровнях организации

Мир жизни представляет собой систему, которой свойственна иерархическая организация. Под системой в науке понимают единство, составленное из значительного числа элементов, которые находятся в закономерных отношениях и связях друг с другом. Главные биологические категории – геном (генотип), клетка, организм, популяция, биогеоценоз, биосфера – представляют собой системы. Иерархической называется система, элементы которой расположены в порядке от высшего к низшему. Так, биосфера слагается из биоценозов (экосистем), представленных популяциями организмов разных видов, совокупность родственных видов образует род, совокупность родов – семейство и т.д. С другой стороны, популяции представлены особями, тела которых имеют клеточное строение, а жизнедеятельность клеток находится под контролем взаимодействующих друг с другом генов. Иерархический принцип организации предусматривает наличие в системе уровней, самостоятельных по происходящим в них процессам, но связанных общностью главной решаемой задачи. Знакомство с уровнями придает конкретность и наглядность представлениям о логике сложных природных явлений (жизнь, организм, клетка, геном, ген) и вносит порядок в изучение этих явлений.

В биологии и медицине вплоть до настоящего времени широко используется классификация уровней организации живого объекта , ориентированная на многоклеточный организм. Такая классификация соответствует состоянию науки о жизни в XIX – первой половине ХХ вв., характеризующемуся стремительным прогрессом в области методов изучения, дающих, с одной стороны, все большее разрешение (микроскоп, электронный микроскоп, индикаторная цито- и гистохимия, рентгеноструктурный анализ), а с другой, – позволяющих визуализа-

цию анатомических и субанатомических структур на живом организме (рентгенография, ультразвуковая диагностика, томография).

В названной классификации выделяемые уровни соответствуют важнейшим, прежде всего с точки зрения функциональной морфологии и патологии, структурам или частям многоклеточного организма, которые, к тому же, являются в разных дисциплинах объектами изучения. Это объясняет, почему выделяемые уровни коррелируют как с размерами структур, так и с разрешающей способностью методов, прежде всего морфофункциональных, биохимических и биофизических, которыми широко пользуются биологи и врачи (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Уровни организации (изучения), выделяемые в многоклеточном организме (по Э. Де Робертсу и др., 1967, с изменениями)

Примечание: 1 м = 103 мм, 1 мм = 103 мкм, 1 мкм = 103 нм, 1 м = 109 нм.

Взаимопроникновение идей и методов различных областей естествознания (физики, химии, биологии), возникновение наук на стыке этих областей (биофизика, биохимия, молекулярная биология) привели к расширению классификации, вплоть до выделения молекулярного и атомарно-электронного уровней. Введение в классификацию молекулярного и атомарного уровней не изменяет главного ее принципа – ориентации на отдельно взятый организм, что не охватывает всего многообразия жизненных явлений.

Возможность исследовать фундаментальные биологические процессы на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях, использование их результатов для создания лечебно-диагностических технологий не является единственной чертой биологии второй половины ХХ в. Типичен плодотворный с точки зрения практических перспектив интерес к процессам в сообществах организмов – популяциях, экосистемах. Это также нашло отражение в современных вариантах приведенной выше классификации, в которую стали включать видовой, биогеоценотиче-ский, биосферный уровни. Такая надстройка носит формальный характер, так как не просматривается объединяющая биологическая задача, решение которой с необходимостью требовало бы интеграции происходящего на заявляемых уровнях (суборганизменных, организмен-ном, надорганизменных) и, при этом, вклад каждого из них был бы специфичен и не дублировался.

Сформулированным выше условиям отвечает классификация уровней организации жизни как особого природного явления, в основу которой положена идея об объединяющей роли эволюционного процесса.

В этой классификации обозначены молекулярно-генетический, клеточный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогеоценотический (экосистемный) уровни (Н.В. Тимофеев-Ресовский, 1958-1961). Ее особенность заключается в том, что отдельные уровни определяются на основе выделения для каждого из них только ему присущих элементарной единицы и элементарного явления. Элементарная единица – это структура (объект), закономерные изменения которой, обозначаемые как элементарное явление, обусловливают специфический для соответствующего уровня вклад в процесс эволюции, т.е. в решение глобальной биологической задачи сохранения и развития жизни. Соответствие выделяемых уровней узловым моментам эволюционного процесса, вне которого не стоит ни одно живое существо, делает их неформальными, распространяющимися на всю область жизни – от до-клеточных форм и прокариот до млекопитающих и человека.

Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне служит ген – фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты (преимущественно, ДНК; генетический материал ряда вирусов представлен РНК), в котором записан определенный в качественном и количественном отношении объем генетической (биологической) информации. Элементарное явление заключается в феномене конвариантной редупликации гена, что означает его самовоспроизведение с ограниченным,

но закономерно случающимся искажением закодированной в гене информации. Путем репликации ДНК происходит копирование (тиражирование) генетической информации, чем обеспечивается сохранность и преемственность, иными словами, консерватизм свойств организмов определенного вида в ряду поколений. Время от времени в силу ограниченной устойчивости к внешним воздействиям (тепловые колебания, ультрафиолетовое и ионизирующие излучения, химически агрессивные свободные радикалы) или вследствие ошибок синтеза, рекомбинации или репарации структура молекул ДНК нарушается, вследствие чего генетическая информация изменяется. В последующих репликациях ДНК нарушения воспроизводятся в молекулах-копиях и наследуются клетками и организмами следующих поколений, чем обусловлена лабильность свойств живых форм. Указанные нарушения, известные в генетике как генные (истинные) мутации, возникают и тиражируются закономерно, что делает процесс репликации ДНК конвариантным, т.е. с изменениями. Благодаря феномену конвариантной редупликации на молекулярно-генетическом уровне обеспечиваются два непременных условия эволюции – наследственность и мутационная (по Ч. Дарвину, неопределенная) изменчивость.

Биологическая информация ДНК (геном, генотип) не участвует в процессах жизнедеятельности непосредственно, но только будучи перенесенной на белок («первичный» фенотип). Учитывая, что естественный отбор происходит по фенотипам особей, такой перенос информации является необходимым условием эволюции. Он осуществляется благодаря механизму матричного синтеза, в котором ДНК выполняет функцию матрицы, но уже для образования молекулы-посредника м(и)РНК, контролирующей образование белка. Отмеченное дает основание рассматривать матричный синтез информационных макромолекул (ДНК, РНК, белки) как принципиальный момент в ряду элементарных явлений молекулярно-генетического уровня.

В реализации генетической информации ДНК в конкретные проявления жизнедеятельности синтез белков представляет собой лишь первый шаг. Он, также как и репликация ДНК, требует для своего осуществления надлежащего морфологического, вещественного (субстратного) и энергетического обеспечения. Структурной, функциональной и генетической основой процессов жизнедеятельности является клетка, представляющая собой элементарную единицу клеточного уровня. Для выполнения своих функций клеткой простейшего микроорганизма микоплазмы требуется порядка 100, а клеткой млекопитающего – при-

мерно 10 тыс. биохимических превращений. Несмотря на различия в объеме выполняемой химической работы (2 порядка), в основе жизнедеятельности клеток обоих типов лежит согласованное по времени и объему сопряженное функционирование потоков информации, энергии и веществ. В таком сопряжении и состоит элементарное явление клеточного уровня. Клетка представляет собой биологическую структуру в одно и то же время необходимую и достаточную, чтобы жизнь существовала и развивалась во всей ее полноте. В силу этого элементарное явление клеточного уровня служит биоинформационной, энергетической и вещественной предпосылкой процессов жизнедеятельности на всех других уровнях организации. Клеточный уровень не назывался Н.В. Тимофеевым-Ресовским и выделяется нами, исходя из дидактических соображений.

Элементарной единицей организменного, более точно, онтогенетического уровня является особь, рассматриваемая во времени, то есть как ее (особи) онтогенез. Закономерные видоспецифичные изменения в продуктивную фазу индивидуального развития составляют элементарное явление рассматриваемого уровня. Эти изменения обеспечивают рост организма, дифференциацию его частей и одновременно интеграцию развития в целостный процесс, морфофунк-циональную специализацию клеток, тканей и органов. Благодаря онтогенезу, происходящему в определенных условиях среды, наследственная информация воплощается в структуры и процессы. На основе генотипа формируется фенотип особи.

Элементарной единицей популяционно-видового уровня служит популяция – совокупность особей одного вида. Объединение особей в популяцию происходит благодаря общности гено(аллело)фонда, используемого в процессе полового размножения для создания генотипов особей следующего поколения. Действие на гено(аллело)фонд популяции так называемых элементарных эволюционных факторов (главные из них – мутационный процесс, колебания численности особей в популяции, миграции, генетико-автоматические процессы, естественный отбор, изоляция) приводит к эволюционно значимым изменениям гено(аллело) фонда в ряду поколений, которые соответствуют элементарному явлению на этом уровне.

Организмы одного вида населяют территорию (ареал) с известными абиотическими параметрами (климат, химизм почв и вод, высота над уровнем моря и т.д.) и взаимодействуют с организмами своего и других видов. В процессе совместного исторического развития (коэволю-

ция) на данной территории представителей разных систематических групп образуются устойчивые во времени, но динамичные сообщества – биогеоценозы (экосистемы), которые служат элементарной единицей биогеоценотического (экосистемного) уровня. Элементарное явление на рассматриваемом уровне представлено вещественно-энергетическими круговоротами и потоками. Ведущая роль в них принадлежит живым организмам. Биогеоценозы, различаясь по видовому составу и характеристикам абиотической части, представляют собой открытые в вещественном и энергетическом плане системы. В своей совокупности они образуют на планете единый комплекс – область распространения жизни – биосферу.

Рассмотренная система включает уровни, отражающие важнейшие биологические явления, вне которых невозможна эволюция и, следовательно, само существование жизни. Хотя элементарные единицы и явления выделяемых уровней различны, все они тесно взаимосвязаны, решая свою специфическую задачу в рамках единого эволюционного процесса.

С конвариантной редупликацией (молекулярно-генетический уровень) связаны элементарные основы этого процесса в виде наследственности, мутационной изменчивости, матричного синтеза. Особая роль клеточного уровня состоит в энергетическом, вещественном и информационном обеспечении происходящего на других уровнях. На онтогенетическом уровне биологическая информация генотипа преобразуется в комплекс фенотипических признаков организма. Возникающий фенотип становится объектом действия естественного отбора. На популяционно-видовом уровне через механизм отбора и избирательной репродукции организмов определяется эволюционная ценность изменений, относящихся по своему происхождению к молекулярно-генетическому, клеточному или онтогенетическому уровню. При этом проявляется иерархический характер межуровневых отношений. К примеру, мутационные изменения ДНК в первую очередь сказываются на функциональных параметрах клеток, далее через клеточные механизмы онтогенеза оказывают влияние на ход индивидуального развития, структурно-функциональный итог которого в виде показателей жизнеспособности и репродуктивного потенциала организма проявляется на уровне популяции. Специфическая роль биогеоценотического уровня состоит в образовании сообществ организмов, приспособленных к совместному проживанию в известной среде обитания и различающихся по своей роли в природных вещественно-энергетических круговоротах.

На этом уровне осуществляется планетарная геохимическая функция жизни.

Уровни, о которых идет речь, отражают структуру эволюционного процесса, одним из результатов которого является человек. Из этого следует, что типичные для выделяемых уровней элементарные единицы и явления характеризуют и людей, правда, с особенностями в силу социальной сущности последних. В пользу сказанного свидетельствует то, что факторы здоровья и патологии человека распределены по всем уровням. Воспроизводство из поколения в поколение людей с достаточным генетическим здоровьем обеспечивается элементарными явлениями молекулярно-генетического уровня – тиражированием и передачей от родителей потомству эволюционно выверенной благоприятной биологической информации, тогда как конвариантный характер редупликации (мутации) несет в себе перспективы наследственной патологии. Благодаря способности клеток к реализации биоинформации в конкретных процессах жизнедеятельности и в организации требуемого взаимодействия организма и среды, устанавливается уровень жизнеспособности, отвечающий критериям здоровья. Нарушение нормального хода внутриклеточных потоков информации, энергии и веществ, приводит к патологии – клеточным дистрофиям, снижению функционального потенциала, малигнизации. Зрелый в структурно-функциональном отношении, жизнеспособный, здоровый организм возникает как результат нормального индивидуального развития, тогда как нарушения последнего приводят к уродствам или снижению общей жизнеспособности. Говоря о вкладе в здоровье онтогенетического уровня, специальное внимание следует уделить старению, которое уже само по себе предусматривает недужность. Здоровье потомства зависит от особенностей гено(аллело)фонда родительской популяции, учитывая наличие в нем неблагоприятных в их фенотипическом проявлении аллелей, составляющих генетический груз. Свою лепту в здоровье на популяционном уровне вносит исторически сложившаяся в популяциях людей система брачных отношений. Первостепенную роль в достижении желаемого уровня здоровья современное здравоохранение отводит условиям и образу жизни, то есть факторам, характеризующим биогеоценотический уровень. К этому уровню относится большинство из идентифицированных на настоящий момент факторов риска утраты здоровья.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
yamedik
Добавить комментарий
Adblock
detector