Структурные уровни организации живой природы. Основы классификации живых организмов

Наряду со структурными уровнями организации неживой материи, описанными в подразделе 4.1, различают структурные уровни организации в живой природе, перечисленные ниже в порядке усложнения:

1. Молекула. На этом уровне биология смыкается с науками о неживой природе.

2. Клетка.

3. Ткань. Примеры: мышечная ткань, соединительная ткань, костная ткань.

4. Орган.

5. Организм.

6. Популяционно-видовой уровень.

7. Биогеоценоз или экосистема.

8. Биосфера Земли.

Вопрос о более высоких уровнях организации живой природы («космическая жизнь») на настоящий момент открыт.

Основы классификации живых организмов заложил Аристотель, разделивший все живые существа на два царства: царство растений и царство животных.

Общие черты представителей обоих царств:

- структурное единство: все они состоят из клеток;

- сходство обмена веществ;

- общность ряда химических соединений;

- сходство генетического аппарата.

Растения отличаются от животных наличием у клеток твердых целлюлозных стенок, обеспечивающих жесткость формы в отсутствие скелета, возможностью неограниченного роста и, как правило, меньшей подвижностью. Но главное отличие между растениями и животными заключается в способах их питания.

Растения – автотрофы, то есть могут синтезировать все необходимые им органические вещества из неорганических веществ, потребляемых из окружающей среды. В зеленых растениях органические вещества вырабатываются с участием хлорофилла при поглощении солнечной энергии (фотосинтез). Именно с растений начинаются сложные пищевые цепи и цепи утилизации солнечной энергии в живой природе. Животные – гетеротрофы, то есть им необходимо питаться другими живыми существами или продуктами их жизнедеятельности.

По мере изучения природы накапливались исключения из аристотелевской системы. Во-первых, грибы и бактерии нельзя отнести к растениям, так как они – гетеротрофы, но и к животным их отнести невозможно. Во-вторых, клетки одних организмов имеют ядра, а других – не имеют. В-третьих, вообще вне классификации остались вирусы и фаги, не имеющие полноценной клеточной структуры, и находящиеся на стыке живой и неживой природы. Поэтому классификация расширилась и в настоящее время все живые существа разделяются на две империи, которые, в свою очередь, делятся на пять царств (см. рисунок 15.1).

Рисунок 15.1 – Империи и царства в живой природе

Первичной единицей классификации (систематики) живых организмов является вид. Главный отличительный признак особей одного вида – их генетическое единство. Вид – это совокупность живых организмов, дающих плодовитое потомство того же вида. Потомство от представителей разных видов, за редким исключением, невозможно или не способно к размножению (мул, лигр). Другие, менее существенные и не всегда явно выраженные отличительные признаки особей одного вида: сходство внешних признаков, определенная зона обитания и схожий образ жизни.

К одному виду могут относиться несколько пород (у животных), сортов (у растений), штаммов (у микроорганизмов), рас (у людей). Все человеческие расы относятся к одному виду, расовые различия не затрагивают творческих и интеллектуальных способностей людей.

Несколько видов объединяются в род, несколько родов объединяются в семейство, далее следуют отряд, класс, тип и, наконец, царство.

Современная классификация построена на наличии общих предков и отражает историю развития жизни на Земле.

Какое место занимает человек в этой систематике? Царство – животные, тип – хордовые (chordate на латыни), подтип – позвоночные (vertebrata), класс - млекопитающие (mammalia), подкласс – плацентарные (eutheria), отряд – приматы (primates), семейство – человекообразные (hominidae), род – человек (homo), вид – разумный (sapiens). Вид «человек разумный» - в настоящее время единственный представитель рода «человек». Ранее существовали и другие виды, вытесненные «человеком разумным» в ходе эволюции.

Клеточное строение

Единство живой природы проявляется в структурном сходстве всех земных организмов (за исключением вирусов) – их клеточном строении.

Наука о клетках – цитология. Впервые клетки во второй половине 17-го века наблюдали Р. Гук (англ.) и М. Мальпиги (итал.), одноклеточные организмы – А. ван Левенгук (голл.), но создателями учения о клетках считаются Т. Шванн и М. Шлейден (нем., 30-е годы 19-го века).

Форма и размеры клеток могут сильно отличаться. Клетки растений и, например, эпителиальные клетки или клетки крови у животных имеют компактную форму, мышечные клетки – удлиненные, веретенообразные, нервные клетки имеют звездчатую или грушевидную форму с длинными ветвящимися отростками – аксонами. Некоторые одноклеточные бактерии имеют размеры 0.1-0.25 мкм. Типичный размер клеток – несколько десятков микрометров, например, размер лимфоцитов человека примерно 10 мкм. Нервные клетки с аксонами вытягиваются до одного метра, а яйцо страуса (это – одна клетка) имеет размер ~15 см.

Клетка ограничена клеточной (плазматической) мембраной, у растений имеющей жесткий целлюлозный наружный слой. Мембрана имеет малую толщину, но сложное строение. Она селективно, то есть выборочно, пропускает внутрь клетки и наружу необходимые вещества. За счет проникновения сквозь мембрану заряженных ионов между ее наружной и внутренней поверхностями возникает разность потенциалов той или иной полярности. Наружная поверхность нервных клеток обычно заряжена положительно, но за счет втягивания внутрь клетки положительных ионов Na⁺ на отдельных участках внешняя поверхность заряжается отрицательно. Эта область может со скоростью до 100 м/с перемещаться вдоль аксонов нервных клеток и переходить с одной нервной клетки на другую. Такое перемещение заряженного участка вдоль нерва называют нервным импульсом. Передача и трансформация нервных импульсов - основа нервной деятельности живых организмов.

Внутри мембраны находится полужидкая цитоплазма, в состав которой входит ряд органоидов клетки. У эукариотов в цитоплазму погружено ядро.

К числу органоидов клетки относятся лизосомы (расщепляют сложные полимерные молекулы до простых, усваиваемых клетками), рибосомы (осуществляют синтез белков, необходимых организму), митохондрии (энергетические станции) и ряд других структур. В клетках растений имеются пластиды, в том числе – хлоропласты, где происходит фотосинтез.

В клеточных ядрах находятся длинные нитевидные хромосомы, содержащие молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) – хранители наследственной информации. Как правило, число хромосом – четное. Например, у человека 46 хромосом.

У одноклеточных организмов единственная клетка выполняет все жизненные функции, у многоклеточных организмов клетки специализированы, то есть выполняют различные функции.

Важнейший принцип цитологии: новые клетки возникают только в результате деления предшествующих. Сейчас большое внимание привлекают так называемые стволовые клетки, которые на ранней стадии своего существования не специализированы, но могут развиться в клетки требуемого типа.