Читать онлайн: учебник биологии 10 класс Пасечник Базовый уровень страницы 32-39 параграф 4 «Биологические системы и их свойства», для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2023 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Базовый §4.
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.
Биология 10 класс (баз.)
§ 4. Биологические системы и их свойства
Вспомните:
1. Что означают понятия «вещество» и «физическое тело»?
2. Что такое система? Чем открытые системы отличаются от закрытых?
3. О чём говорят законы сохранения массы вещества и превращения энергии, открытые в результате естественно-научных исследований?
Фундаментальные положения биологии.
Биология охватывает огромный спектр научных проблем, изучение которых позволяет нам, т. е. человечеству практически каждый день получать сведения о только что открытых явлениях или закономерностях из мира живой природы. Удержать эти сведения в своём поле зрения, если они существенно расширяют научную картину мира, не под силу даже выдающемуся учёному-биологу, что говорить о человеке, далёком от большой науки. Однако в биологии существует несколько фундаментальных положений, знакомство с которыми позволяет критически относиться к той, часто сенсационной, информации, которую мы можем получить из различных информационных источников. Вот эти положения:
- Уровневая организация живой природы (биологических систем).
- Энергия и материя как основа существования биологических систем.
- Передача наследственной информации в череде поколений.
- Взаимодействие компонентов биологических систем и саморегуляция.
- Эволюция (эволюционные процессы).
Эти фундаментальные положения биологии основаны на глубоком понимании сущности и свойств биологических систем различного уровня организации. Расскажем о каждом из них подробнее.
Уровневая организация живой природы
(биологических систем).
Современная биология рассматривает любые живые объекты как системы. При этом живая природа в целом представляет собой совокупность всех биологических систем разного уровня организации и различной степени соподчинённости.
✅ Система — это совокупность взаимосвязанных элементов, объединённых для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды, взаимодействующая с ней как единое целое и проявляющая при этом основные системные свойства.
Учёные выделяют несколько уровней организации биологических систем, в частности: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный. Однако следует заметить, что часто выделяют и другие уровни организации, такие, как уровень сообщества (консорции), органов и тканей (его вы подробно изучали в 8 классе), клеточных органоидов и т. п., — это переходные уровни между пятью основными (рис. 12).
Всем живым системам, независимо от уровня организации, присуши общие черты, а сами они находятся в непрерывном взаимодействии. Но не все биологические системы доступны исследователю для непосредственного изучения (наблюдения), поэтому в биологии, да и в других науках, учёные часто применяют редукционный подход, предполагающий необходимость детального изучения отдельных структурных компонентов системы на более низких уровнях её организации. Это изучение основано на анализе взаимодействия отдельных частей целого. Последующий синтез позволяет установить наличие у изучаемой системы новых, так называемых эмерджентных свойств, которые часто могут выступать в качестве классификационного (систематического) признака системы.
✅ Эмерджёнтность, или эмергёнтность (от англ, emergent — возникающий, неожиданно появляющийся) — наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её отдельным элементам, а также сумме каких-либо элементов, не связанных особыми системообразующими связями, т. е. несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов (синоним «системный эффект»).
В биологии понятие эмерджентности можно выразить следующим образом: одно дерево — это не лес, скопление отдельных клеток — это не организм. Например, свойства биологического вида или биологической популяции не являются одновременно свойствами отдельных особей. В частности, такие понятия, как «наследственность», «рождаемость», «смертность», неприменимы к отдельной особи, но применимы к популяции или виду в целом.
Изучение различных уровней организации биологических систем даёт возможность представить, как могли возникнуть первые живые организмы и как происходил на Земле процесс эволюции от относительно просто устроенных систем к более сложным и высокоорганизованным.
Энергия и материя как основа
существования биологических систем.
Фундаментальной характеристикой биологических систем является их материальная природа, а также использование энергии для осуществления своей жизнедеятельности. То есть все компоненты биологических систем любого уровня организации представляют собой физические тела, образованные химическими веществами. Движение, рост, размножение и другие проявления клеточной активности — всё это работа (с точки зрения физики), а любая работа требует затрат энергии.
Оба этих свойства сближают биологические системы с любыми другими материальными системами неживой природы. Фундаментальным отличием первых от вторых является их ярко выраженная открытость, предполагающая постоянный ток через них вещества и энергии. Именно поэтому при характеристике основных жизненных свойств мы в первую очередь говорим об обмене веществ. При этом исходной энергией в биологических системах является прежде всего энергия Солнца, ну а преобразование энергии из одной формы в другую делает жизнь возможной.
Живые системы, в отличие от неживых, постоянно пропуская через себя поток вещества и энергии, не только не разрушаются от этого, но становятся более устойчивыми, или, как говорят физики, понижают свою энтропию.
✅ Энтропия (от греч. entropia — превращение) — мера неупорядоченности (неопределённости) некоторой системы, характеризующая меру необратимого перехода части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии активации химических реакций и т. п.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте в теплоту.
По словам одного из создателей квантовой физики Эрвина Шрёдингера (1887—1961), «…живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, т. е. оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в обмене веществ то, что организму удаётся освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив».
В процессе фотосинтеза листья растений поглощают солнечный свет и углекислый газ, а молекулы хлорофилла в листьях способствуют преобразованию энергии солнечного света в химическую, которая запасается в продуктах жизнедеятельности растения, прежде всего таких, как сахар. Затем эта энергия, запасающаяся в результате дыхания, т. е. разложения органических веществ, идёт на обеспечение процессов жизнедеятельности клеток самого растения, а также растительноядных животных и поедающих их хищников. В конце концов простые минеральные вещества, входящие в состав сложных органических, могут быть возвращены в окружающую среду такими организмами, как бактерии и грибы. Благодаря этому они снова становятся доступными для растений, завершив тем самым полный цикл своего круговорота в природе.
⚠ В основе жизни лежит хранение, реализация и передача генетической информации в череде поколений.
Именно генетическая информация обусловливает особенности строения биологической системы, а точнее, её элементарного структурного и функционального компонента, т. е. клетки. Вам уже известно, что внутри её, в структурах, называемых хромосомами (которые можно рассмотреть в клетке с помощью микроскопа только на определённых стадиях её жизни), содержится генетический материал, представленный прежде всего дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Молекулярная структура ДНК обусловливает её способность хранить и воспроизводить заложенную в ней наследственную информацию, а также передавать её из поколения в поколение.
Взаимодействие компонентов биологических
систем и саморегуляция.
На любом уровне биологической иерархии взаимодействие между компонентами системы обеспечивает интеграцию всех её частей так, что они функционируют как единое целое. В основе этого лежат различные процессы саморегуляции, основанные на механизме обратной связи. Благодаря этому механизму конечный продукт осуществляемого процесса жизнедеятельности системы непосредственно регулирует его протекание. Наиболее распространённой формой этого процесса является регуляция по пути отрицательной обратной связи. Например, повышенное усвоение глюкозы клетками приводит к уменьшению содержания глюкозы в крови, что, в свою очередь, является стимулом к уменьшению секреции инсулина. Увеличение концентрации углекислого газа в крови человека приводит к учащению дыхания, что способствует обогащению крови кислородом и последующему снижению в ней концентрации углекислого газа.
В надорганизменных биологических системах, например в популяциях, на основе механизма отрицательной обратной связи обеспечивается относительное постоянство численности особей, входящих в их состав. Так, в популяциях грызунов (например, крыс) можно наблюдать обратную зависимость между их плотностью и плодовитостью особей (рис. 13).
Эволюция (эволюционные процессы).
Жизнь развивалась на нашей планете миллиарды лет, в результате чего сейчас на ней существует огромное разнообразие организмов. Однако по обнаруженным палеонтологами ископаемым останкам вымерших организмов мы можем судить о существовании на Земле ещё большего разнообразия жизни в предшествующие геологические эпохи. Тем не менее, несмотря на всё это разнообразие, мы можем наблюдать у организмов, являющихся представителями разных биологических видов, множество общих черт. Например, в то время как различные представители рыб, птиц и млекопитающих внешне выглядят по-разному, их скелеты в общих чертах имеют сходное строение.
Научное объяснение этого единства и многообразия организмов предоставляет нам теория эволюции. Основная идея этой теории заключается в том, что все организмы, жившие и живущие в настоящее время на Земле, являются модифицированными потомками их общих предков. Исходя из этого положения, мы можем объяснить причины различия черт (признаков) организмов, принадлежащих к разным видам, и эти изменения произошли в череде поколений не у отдельно взятого организма, а у целой группы особей одного вида в процессе адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды в конкретном месте их проживания.
Разумеется, современные представления о механизмах эволюции гораздо шире и многограннее. Позже мы вернёмся к более детальному изучению данного вопроса.
СИСТЕМА • БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА • ЭМЕРДЖЁНТНОСТЬ • САМОРЕГУЛЯЦИЯ • ЭНТРОПИЯ • ЭВОЛЮЦИЯ
ПОДУМАЙТЕ
Почему владение фундаментальными положениями (понятиями) биологической науки, как правило, позволяет оценить достоверность биологической информации, получаемой из различных информационных источников?
Моя лаборатория (стр. 37)
Тренируемся
- Какие уровни организации живого выделяют в биологии?
- Что является материальной основой существования биологических систем?
- Что такое генетическая информация и какое значение она имеет для биологической системы любого уровня организации? Приведите примеры.
- Что позволяет компонентам биологической системы взаимодействовать как единое целое? Какие механизмы лежат в основе этих процессов?
- Какая фундаментальная идея лежит в основе научного объяснения единства и многообразия жизни?
Совершенствуемся
- Используя рисунок 12, связным текстом опишите последовательность, изображающую восходящую иерархию биологических систем, начиная с молекулярного уровня. Например: «Молекула состоит из атомов, соединённых друг с другом».
- Какое значение имеет изучение свойств биологических систем на различных уровнях организации?
Это интересно (стр. 37)
Взаимосвязь строения и функций в биологических системах. На каждом уровне организации живого (биологической иерархии) мы можем установить наличие взаимосвязи между особенностями строения системы и выполняемыми ею функциями. Рассмотрим в качестве примера живую клетку. Как вам известно, она является основной структурной и функциональной единицей живого. То есть она представляет собой наименьшую единицу биологической системы, которая может выполнить все процессы, необходимые для жизни.
Номинально строение клетки зависит от того, какие вещества (органические и неорганические молекулы) входят в её состав (вспомните особенности химического состава клеток, принадлежащих различным царствам живой природы). В то же время важно понимать, что химический состав и особенности строения клетки зависят прежде всего от особенностей реализации заложенной в ней наследственной информации в приемлемых для развития условиях окружающей среды. Ну а функциональные возможности клетки зависят, в свою очередь, от особенностей её строения.
Какой процесс жизнедеятельности мы бы ни взяли, он обязательно основан на выполнении клетками своих специфических функций. Например, движения глаз в то время, когда вы читаете, являются результатом согласованной деятельности мышечных и нервных клеток. Даже процесс фиксации атомов углерода, который происходит в планетарном масштабе, есть закономерный итог происходящих в клетке процессов — в частности, результат фотосинтетической активности хлоропластов в клетках листьев зелёных растений.
Саморегуляция на основе положительной обратной связи. В природе существуют жизненные процессы, регулируемые за счёт механизма положительной обратной связи, хотя они и менее распространены, чем механизмы регуляции с отрицательной обратной связью. При таких способах саморегуляции конечный продукт интенсифицирует процесс собственного производства.
Примером может быть образование тромба в ответ на повреждение сосуда, которое всегда сопровождается немедленной активацией тромбоцитов. Они присоединяются к повреждённым тканям и друг к другу, формируя агрегаты, которые препятствуют потере крови. Из этих тромбоцитов усиленно секретируются тромбоцитарные факторы, участвующие в обеспечении свёртывания крови.
Одновременно с этим в крови происходит активация плазменных факторов: образование белка тромбина, который воздействует на фибриноген с образованием сетки из нитей белка фибрина. В ней застревают отдельные эритроциты и лейкоциты и образуется тромбоцитарно-фибриновый сгусток (или тромбоцитарная пробка). Благодаря белку тромбостенину тромбоциты подтягиваются друг к другу, в результате чего тромбоцитарная пробка сокращается и уплотняется.
Другим примером положительной обратной связи является генерация возбуждения в нервных клетках. При стимуляции нейронов возникает небольшая утечка ионов натрия через каналы внутрь клеток. Входящий внутрь натрий изменяет мембранный потенциал, что приводит к ещё большему открытию каналов, а это, в свою очередь, к ещё большему изменению потенциала и т. д.
Таким образом, небольшая утечка ионов в итоге запускает лавинообразное проникновение натрия в нейрон, в результате чего формируется потенциал действия. В свою очередь, этот потенциал, возникнув в одной точке мембраны, вызывает изменения разности потенциалов в других местах плазмалеммы, т. е. распространяется по ней как снаружи, так и внутри. Этот процесс повторяется вновь и вновь, пока импульс не достигнет окончания отростка нервной клетки, т. е. синапса, где под его воздействием произойдёт выработка медиатора, который станет стимулятором для образования потенциала действия в соседнем нейроне.
В приведённых выше примерах положительная связь является частью регуляции более масштабных процессов, осуществляющихся на основе отрицательной обратной связи. Например, положительная связь в случае с образованием тромба является частью механизма отрицательной связи по поддержанию постоянного объёма циркулирующей крови. То же самое относится и к положительной связи, формирующей нервный импульс, поскольку она позволяет нервным клеткам участвовать в многочисленных системах нервной регуляции на основе отрицательной обратной связи.
Ещё одним примером положительной обратной связи может служить процесс заболачивания территории после вырубки леса. Это происходит потому, что из-за гибели большинства растений во время вырубки вода начинает накапливаться в почве — её просто некому высасывать оттуда. Следствием этого является уплотнение почвы, дальнейшее накопление воды и рост растений-влагонакопителей.
Все эти процессы ведут к обеднению почвы кислородом, из-за чего замедляется разложение растительных остатков. А это, в свою очередь, способствует накоплению торфа и дальнейшему усилению заболачивания. В результате уже через несколько десятков лет на месте, где когда-то был лес, образуется непроходимое торфяное болото. Следует заметить, что в данном примере положительная обратная связь не является частью регуляции более масштабных процессов, осуществляющихся на основе отрицательной обратной связи.
Часто регуляция на основе положительной обратной связи встречается и в эволюционных процессах. Известно, что появление одного нового вида сразу же приводит к возникновению других новых видов, связанных с ним различными биотическими взаимоотношениями. Так, например, появление нового вида травоядных животных автоматически создаёт вакантные экологические ниши для новых хищников, паразитов, падальщиков и насекомых-навозников. Кроме того, возникновение новых травоядных является фактором, ускоряющим эволюцию растений, служащих для них пищей или зависящих от распространения представителями данного вида семян.
В свою очередь, новые виды хищников и паразитов начинают влиять на эволюцию своих травоядных жертв. Это взаимоотношение описывает так называемая гипотеза эффекта Чёрной Королевы (The Red Queen Effect), которая говорит о том, что «относительно эволюционной системы виду необходимы постоянное изменение и адаптация, чтобы поддерживать его существование в окружающем биологическом мире, постоянно эволюционирующем вместе с ним». Данная гипотеза была названа в честь одноимённого персонажа сказки Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье», считавшей, что «здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте».
Проводим исследование
Выполните лабораторную работу «Механизмы саморегуляции» на с. 200.
Вы смотрели: учебник биологии 10 класс Пасечник Базовый уровень для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2023 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения. Код материалов: Биология Пасечник Базовый §4.
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.