§ 2. РІВНІ ОРГАНІЗАЦІЇ БІОСИСТЕМ ТА ЇХНІЙ ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК

Основні поняття й ключові терміни: БІОСИСТЕМИ. Рівні організації біосистем.

Пригадайте! Що таке біосистеми?

Карл Людвіг фон Берталанфі (1901—1972) — австрійський біолог, засновник узагальненої системної концепції, що отримала назву «Загальна теорія систем». Основна ідея запропонованої теорії: закони, що керують системами, — єдині для різних систем. Такими закономірностями є принципи зворотного зв’язку, єдності, ієрархії, емерджентності (раптової появи), закон мінімуму та інші.

Якими є основні біосистеми?

Сучасне розуміння організації життя ґрунтується на системному підході, згідно з яким жива природа існує у формі біосистем. Будь-яка із живих природних систем є цілісною сукупністю взаємопов’язаних компонентів, що виконують особливі функції і забезпечують їхню єдність. Усі біосистеми є перервними й відокремленими одна від одної, мають певні розміри й структуру, тривалість існування й специфічні ознаки. Основними типами біосистем є клітина, організм, популяція, вид, екосистема та біосфера.

Клітина — біологічна система з найменшими розмірами й найпростішою структурою. Основними компонентами клітини є поверхневий апарат, цитоплазма і ядро (нуклеоїд), що побудовані із молекул хімічних речовин та їхніх комплексів. Клітини є основними елементами будови й життєдіяльності всіх організмів нашої планети.

Організм — біологічна система, яка побудована із клітин і завдяки системам регуляції та пристосувальним механізмам може відносно самостійно існувати в певному середовищі. Організми поділяють на одноклітинні, колоніальні й багатоклітинні. Саме ці біосистеми є найрізноманітнішими формами живої природи.

Популяція — біологічна система із вільносхрещуваних між собою організмів одного виду, які проживають тривалий час на певній території й відносно ізольовані від інших таких самих груп. Компонентами популяцій є організми, а самі популяції є структурною одиницею видів. На рівні популяцій починаються еволюційні процеси, тому популяції є елементарними одиницями еволюції.

Вид — біологічна система із сукупності популяцій, яким властиві: а) морфофізіологічна подібність; б) вільне внутрішньовидове схрещування; в) утворення плідного потомства; г) несхрещуваність з іншими видами; д) спільна територія існування — ареал; е) пристосованість до умов існування в межах ареалу; є) спільне походження. Вид є основною формою організації життя.

Екосистема — сукупність різних видів та середовища їхнього існування, що пов’язані обміном речовин, енергії та інформації. У межах біосистем цього рангу виокремлюють біотичний (біоценоз) та абіотичний (біотоп) компоненти, що пов’язані між собою кругообігом речовин. Екосистеми існують унаслідок розподілу функцій між продуцентами, консументами й редуцентами.

Біосфера — біосистема найвищого порядку, склад, структура і властивості якої визначаються функціонуванням живих організмів. Це єдина глобальна екосистема Землі. Живий і неживий компоненти біосфери пов’язані між собою кругообігом речовин у вигляді біогеохімічних циклів.

Отже, БІОЛОГІЧНІ СИСТЕМИ (від грец. біо — життя, система — складена із частин) — це сукупність взаємопов’язаних компонентів, діяльність яких визначають їхню єдність та існування в просторі й часі.

У чому проявляється взаємозв’язок рівнів організації біосистем?

Критерієм для виокремлення рівнів організації біосистем є ступінь складності структури (від лат. structure — будова), тобто розташування взаємопов’язаних компонентів. Для характеристики рівнів організації життя застосовують ще й такий критерій, як процес (від лат. processus — переміщення, рух), що означає певні закономірні функціональні зміни й явища. Виокремлювати рівень організації доцільно в тому випадку, якщо на ньому виникають нові (емерджентні) властивості, що їх немає в систем нижчого рівня.

Уявлення про структурні рівні організації склалося в 20-х роках XX ст. (Л. фон Берталанфі, Г. Ч. Браун), а в середині 40-х років ХХ ст. сформувалася теорія рівнів організації (Р. Джерард, А. Емерсон) як конкретне вираження упорядкованості живого.

Іл. 3. Основні рівні організації біосистем

Як ви вже знаєте, розрізняють молекулярний, клітинний, організмовий, популяційно-видовий, екосистемний (біогеоценотичний) та біосферний рівні організації біосистем (іл. 3). За необхідності, що визначається особливостями досліджуваного об’єкта, можна виокремлювати додаткові рівні: тканинний, рівень органів, рівень систем органів, біоценотичний.

Молекулярний рівень життя пов’язаний з організацією специфічних для живих організмів органічних сполук, їхньою взаємодією між собою і з неорганічними речовинами. При цьому відбуваються хімічні реакції й фізичні процеси перетворення енергії, речовин та інформації. На молекулярному рівні організації перебувають неклітинні форми життя (віруси, пріони, віроїди).

Клітинний рівень життя представлений вільноживучими одноклітинними організмами й клітинами багатоклітинних організмів. Компонентами структури клітин є речовини та їхні комплекси. На клітинному рівні відбуваються процеси поділу й передачі інформації, анаболізму й катаболізму.

Організмовий рівень життя визначається клітинами в одноклітинних і колоніальних організмів, тканинами, органами й системами органів – у багатоклітинних організмів. Елементарною одиницею рівня є окремі клітинні організми з певними особливостями будови, життєдіяльності (живлення, дихання, виділення, розмноження тощо) та поведінки.

Популяційно-видовий рівень життя представлений популяціями й видами, що є надорганізмовими біологічними системами. Структурними компонентами є групи споріднених особин, об’єднаних певним генофондом і специфічною взаємодією з навколишнім середовищем. На цьому рівні формуються мікроеволюційні процеси адаптаціогенезу, регуляції чисельності популяцій, видоутворення тощо.

Екосистемний (біогеоценотичний) рівень життя представлений різноманітністю природних і штучних екосистем. Компонентами є живі угруповання (біоценози) й умови середовища існування. На цьому рівні здійснюються взаємодія організмів різних популяцій між собою, а також вплив екологічних чинників, що визначають їх чисельність, видовий склад і продуктивність.

Біосферний рівень життя об’єднує усі екосистеми Землі. На цьому рівні відбуваються біогенна міграція живої речовини, біологічний кругообіг речовин та перетворення енергії.

Основою взаємозв’язку всіх рівнів організації біосистем є потоки речовин, енергії та інформації й принцип структурної ієрархії систем, згідно з яким будь-яка біосистема є компонентом біосистеми вищого рангу, і, в свою чергу, складається з підпорядкованих їй біосистем нижчого рангу.

Отже, рівні організації біосистем — це певний тип взаємодії структурних й функціональних складників біологічних систем.

Самостійна робота з ілюстраціями. Характеристика біосистем

Розпізнайте на малюнках біосистеми різних рівнів організації. Назвіть їх компоненти та наведіть приклади процесів, характерних для зображених біосистем. Заповніть у робочому зошиті таблицю «Характеристика основних типів біосистем» і сформулюйте висновок про подібність та відмінності різних біосистем.

Біологія + Екологія. Характеристика рівня організації біосистем

Риба-клоун (Amphiprion ocellaris) досить часто вступає у взаємовигідні взаємовідносини з актиніями (наприклад, Heteractis magnifica). Щупальця цих тварин містять небезпечні жалкі клітини і захищають риб та їхню ікру від хижаків. У свою чергу, риби-клоуни очищають актинію від сміття і відганяють від неї хижаків, наприклад крабів і риб-метеликів, які не проти поласувати щупальцями цих істот. Назвіть і охарактеризуйте рівень організації цих взаємовідносин.

Біологія + Біорізноманіття. Опис окремих біосистем

З-поміж представників класу Ссавці здатність продукувати отруйний секрет мають яйцекладні ссавці та окремі представники комахоїдних. І лише один відомий вид є серед приматів. Це малий товстий лорі (Nycticebus pygmaeus), поширений у лісах В’єтнаму, Лаосу й Камбоджі. На внутрішньому боці ліктьового суглоба в цієї тварини є залози, секрети яких, змішуючись із слиною, перетворюються на сильну отруту. Опишіть цей організм як біосистему.

Завдання для самоконтролю

1. Що таке біосистеми? 2. Назвіть основні типи біосистем. 3. Наведіть приклади біосистем різних рівнів. 4. Що таке рівні організації біосистем? 5. Назвіть основні рівні організації біосистем. 6. Назвіть критерії, за якими характеризують біосистеми.

7. Якими є основні біосистеми? 8. В чому виявляється взаємозв’язок рівнів організації біосистем? 9. Чим біосистеми різняться між собою?

10. У чому полягають подібність та відмінності різних біосистем?

КЛІТИНИ, ТКАНИНИ

При вивченні будови організму людини зверніть увагу на те, що він складається з клітин, тканин, органів, систем і апаратів органів. Однак не слід буквально розуміти такий розподіл. Організм існує тільки як цілісна система, але організований, як і інші складні системи, за ієрархічним принципом. Названі структури утворюють його складові елементи.

Клітини

Клітина є основною структурною одиницею організму. У середині XIX століття Т. Шванн створив клітинну теорію. її основні положення стверджували, що всі тканини складаються з клітин, а клітини тварин і рослин за принципом будови подібні між собою. Діяльність організмів – це сукупність життєдіяльності усіх клітин.

Великий вплив на подальший розвиток клітинної теорії зробив Р. Вірхов. Він не тільки звів воєдино численні розрізнені факти, але і переконливо показав, що клітини є постійною структурою і виникають тільки шляхом розмноження, породжуючи собі подібні.

Клітина є елементарною одиницею всього живого, тому що їй притаманні усі властивості живих організмів: висока впорядкованість її структурних елементів, використання зовнішньої енергії для забезпечення життєдіяльності і підтримки впорядкованості (подолання ентропії), обмін речовин, ріст, розмноження, передача біологічної інформації нащадкам, реакція па подразнення, регенерація (відновлення), адаптація (пристосування) до навколишнього середовища.

Сучасна клітинна теорія включає такі принципові положення:

• – клітини є універсальною елементарною одиницею живого;
• – клітини всіх організмів подібні за будовою, функцією і хімічним складом;
• – клітини зберігають, перетворюють і реалізують генетичну інформацію;
• – клітини розмножуються тільки шляхом поділу вихідної (материнської) клітини;
• – багатоклітинні організми є складними цілісними системами;
• – завдяки діяльності клітин відбувається ріст, розвиток, обмін речовин і енергії в організмі.

Хімічна організація клітини. До складу речовин, що забезпечують життєдіяльність клітини, входять майже всі відомі хімічні елементи, але чотири з них складають 98 % маси клітини. Це – кисень (65-75 %), вуглець (15-18 %), водень (8-10 %) і азот (1,5-3 %). Інші елементи поділяються на макроелементи (близько 1,9%) і мікроелементи (близько 0,1%). До макроелементів належать: сірка, фосфор, хлор, калій, натрій, магній, кальцій і залізо, до мікроелементів – цинк, мідь, йод, фтор, марганець, селен, кобальт тощо. Незважаючи на дуже малий вміст, мікроелементи відіграють важливу біологічну роль. Вони впливають на обмін речовин, без них неможлива нормальна життєдіяльність кожної клітини й організму в цілому.

Клітина складається з неорганічних і органічних речовин. Із неорганічних речовин у клітині переважає вода (до 80 %). Вода – універсальний розчинник, у ній відбуваються всі біохімічні реакції, вода забезпечує теплорегуляцію клітини. Речовини, що розчиняються у воді (солі, луги, кислоти, білки, вуглеводи, спирти тощо), називаються гідрофільними. Гідрофобні речовини (жири і жироподібні речовини) не розчиняються у воді. Є органічні речовини з видовженими молекулами, у яких один кінець гідрофільний, а інший гідрофобний: їх називають амфіпатичними. Прикладом амфіпатичних речовин є фосфоліпіди, які є складовою частиною біологічних мембран.

Неорганічні речовини (солі, кислоти, луги, позитивні і негативні іони) складають від 1,0 до 1,5% маси клітини. Серед органічних речовин переважають білки (10-20 %), жири або ліпіди (1-5 %), вуглеводи (0,2-2,0 %), нуклеїнові кислоти (1-2%). Вміст низькомолекулярних речовин у клітині не перевищує 0,5 %.

Молекула білка є полімером, вона складається з численних одиниць (мономерів), що повторюються. Мономери білка – амінокислоти (їх є 20), які з’єднуються між собою пептидними зв’язками і утворюють поліпептиди і ланцюги (первинну структуру білка). Ланцюг закручується у спіраль – вторинна структура білка.

Білки виконують найважливіші життєві функції. Зокрема, білками є ферменти (біологічні каталізатори), що значно збільшують швидкість хімічних реакцій у клітині. Білки, входячи до складу всіх клітинних структур, виконують пластичну (будівельну) функцію. Вони утворюють клітинний каркас. Рух клітин здійснюють спеціальні білки (актин, міозин, динеїн). Білки забезпечують транспорт речовин через клітинну мембрану і всередині клітини. Антитіла, що виконують захисну функцію, також є білками. Нарешті, білки є одним із джерел енергії.

Вуглеводи поділяють на моносахариди і полісахариди. Полісахариди також побудовані з мономерів – моносахаридів. Серед моносахаридів у клітині найважливішими є глюкоза (містить 6 атомів вуглецю) і пентоза (5 атомів вуглецю). Пентози входять до складу нуклеїнових кислот. Моносахариди добре розчиняються у воді, полісахариди – малорозчинні. У тваринних клітинах полісахариди представлені глікогеном. Вуглеводи є джерелом енергії. Складні вуглеводи, що з’єднані з білками (глікопротеїни) і з жирами (гліколіпіди), є складовими клітинних мембран і відіграють важливу роль у взаємодіях клітин.

До ліпідів належать жири і жироподібні речовини. Молекули жирів побудовані з гліцерину і жирних кислот. Жироподібними речовинами є холестерин, деякі гормони, лецитин. Ліпіди є основним компонентом клітинних мембран (вони описані нижче), а також найважливішим джерелом енергії. Наприклад, якщо при повному окисненні 1 г білка або вуглеводів виділяється 17,6 кДж енергії, то при повному окисненні 1 г жиру – 38,9 кДж.

Нуклеїнові кислоти є полімерними молекулами, що утворені з мономерів – нуклеотидів, кожний з яких складається з пуринової або піримідинової основи, цукру пентози і залишку фосфорної кислоти. У всіх клітинах є два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова (ДНК) і рибонуклеїнова (РНК), що відрізняються між собою за складом азотистих основ і цукрів (табл. 1).

Молекула ДНК складається з двох різнонаправлених полінуклеотидних ланцюгів, закручених один навколо іншого у вигляді подвійної спіралі. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру дезоксирибози і залишку фосфорної кислоти. Азотисті основи розташовані всередині подвійної спіралі. Азотисті основи обох ланцюгів з’єднані між собою комплементарно водневими зв’язками, при цьому аденін з’єднується тільки з тиміном, а гуанін із ци

ТАБЛИЦЯ 1. Склад нуклеїнових кислот

Азотисті основи

піримідинові

Клітинна теорія Шванна і Шлейдена – сутність вчення

У першій половині XIX століття німецькому вченому Теодору Шванну вдалося довести однаковість в будові рослинних і тваринних клітин. Водночас, вивчаючи праці Матіаса Шлейдена, Шванн удосконалював і шліфував наявні на той момент уявлення про значення ядра в клітині.

Так ці два вчених стали в співавторстві творцями і основоположниками вчення, названого пізніше клітинною теорією Шванна і Шлейдена, яка до цього часу використовується при вивченні основних принципів цитології.

Історія вивчення питання

У 19 столітті розвиток клітинної теорії було різко обмежено через недостатньо розвиненого технічного оснащення для вивчення цитології-науки і клітинних структурах. Однак і тоді біологам вдалося внести істотний внесок в науку. Різні вчені, вивчаючи праці один одного, спростовували деякі положення, висували нові.

Відкинувши і визнавши неприйнятною версію про зародження клітин і безструктурної речовини, Науковий світ врешті-решт сформулював основні положення клітинної теорії.

На сучасному рівні розвитку біології сутність її основних постулатів коротко можна сформулювати наступним чином:

• Елементарною одиницею будови всіх живих організмів є клітинна структура.
• Ця структурна одиниця є єдиною неподільною системою, що містить безліч органел (або органоїдів). Вони взаємопов’язані між собою і функціонують під цілісне утворення, подібно органам в макроорганізмі.
• Всі живі організми об’єднує гомологічність структурних одиниць, з яких вони складаються.
• Єдиний спосіб виникнення нових структурних одиниць – це поділ материнської клітини на 2 дочірні (в біології цей процес називається мітозом).

У міру розвитку і поглибленого вивчення біології та цитолології одне за іншим з’являлися так звані додаткові положення теорії, на відміну від фундаментальних, класичних постулатів, вони дещо різняться в різних джерелах.

В основному вони стосуються наступних областей:

• Наявність відмінностей між прокаріотичними (доядерними) і клітинами еукаріот.
• Принцип копіювання спадкової інформації при розподілі клітин. Це положення дозволяє проєктувати принцип безперервності (»кожна клітина з клітини«) на молекули нуклеїнових кислот (»кожна молекула — з молекули”) і пояснює успадкування ознак.
• Принцип тотипотентності. Це положення говорить про те, що клітини багатоклітинних організмів володіють однаковим генетичним потенціалом, а відмінності між ними обмежуються різним ступенем експресії генів, що веде до вираженого різноманіття як будови, так і функції клітин, тобто диференціювання.

Великий вплив на розробку, розвиток і застосування клітинної теорії надали праці Р.Вірхова.

Йому вдалося довести універсальність клітинного вчення Шванна і Шлейдена. Крім того, праці цього вченого привернули велику увагу до ядра клітини і протоплазми. Це сприяло тому, що пізніше Науковий світ визнав ці частини клітини найбільш істотними.

Особливістю вчення Вірхова було механістичне розуміння клітинної теорії — сприйняття організму в цілому як простої суми клітинних одиниць.

Сучасний погляд

У міру вдосконалення наукових знань навіть фундаментальні положення клітинної теорії зазнали деякого перегляду. У міру створення більш досконалого лабораторного обладнання стало очевидно, які з переконань були помилковими.

Зокрема, клітинна структура як і раніше визнається головною формою існування живих організмів, однак, завдяки новим відкриттям, вона вже не є єдиною.

Неклітинною формою життя наука визнала віруси, проте з деякими застереженнями. Ознаки живого організму (такі, як здатність до розмноження і обміну речовин) притаманні вірусу тільки при знаходженні його всередині живої клітинної структури.

Вірус, що знаходиться поза клітиною, вважається складним хімічною речовиною. На думку вчених, що займаються цим питанням, клітини зіграли безпосередню роль в походженні вірусів. Вони, здається, є частиною генетичного матеріалу зменшеної клітини. Розміри вірусів вкрай малі, тому і відкрити їх вдалося істотно пізніше.

Закріпилося і положення про відмінність прокаріотичних і еукаріотичних клітин.

Піддається сумніву механістичний підхід. Вчена спільнота дійшла висновку, що неможливо ігнорувати цілісність організму, який раніше клітинна теорія визнавала сумою структурних одиниць.

На сьогодні клітинна теорія, доповнена сучасними знаннями, вдосконалена і очищена від механістичного підходу, є одним з фундаментальних навчань в області біології. А Шванн і Шлейден, яким вдалося створити і розробити це вчення, до цього часу згадуються в якості його засновників.