58. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЦЕЛОСТНОСТИ ОБЪЕКТОВ В БИОЛОГИИ

Слово система (от греч. systema – «целое, составленное из частей»)означает совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единство (целостность). Для характеристики системного начала объектов обычно прибегают к принципам целостности, структурности, иерархичности, уровневости. Системность объекта предполагает расчлененность на составные части и в то же время наличие связей между компонентами системы, именно взаимосвязь компонентов отличает систему от множества, от совокупности одного общего состояния. Только объединенные в одно целое элементы составляют систему. Принцип системности гласит, что свойства системы как целого не определяются суммой свойств составляющих элементов, а есть нечто новое.

Объекты биологии – это развивающиеся объекты-системы, и все они характеризуются таким общим свойством, как целостность. Например, в отношении биологических объектов выдающийся биолог-эволюционист И. И. Шмальгаузен писал, что организм не есть мозаика частей, органов или признаков. «Целое не получается суммированием частей, хотя бы и при участии какого-либо дополнительного фактора. Оно развивается одновременно с обособлением частей по мере прогрессивного усложнения организации. Нельзя говорить, что целое больше, чем сумма частей. Мы вообще не имеем суммы, так как свойства частей сняты, а в целом мы имеем новые свойства. Организм – не сумма, а система, т. е. соподчиненная сложная взаимосвязь, дающая в своих противоречивых тенденциях, в своем непрерывном движении высшее единство – развивающуюся организацию». Сравнительный анализ процессов образования целостности в разных системах позволяет предположить, что наряду со специфическим существует и универсальный механизм формирования целостности. Частнонаучные исследования показывают, что формирование целостности происходит параллельно с «расслоением» системы на уровни. Механизм образования целостности на материале биологических систем выявляет И. B. Шмальгаузен. Он показал, что организм как целое совершенствуется в ходе и благодаря специализации частей, его составляющих. Причем чем больше специализация частей, тем больше они оказываются в зависимости друг от друга и от организма в целом. «Целое, несущее лишь общие функции, расчленяется на части с разными более специальными функциями, – писал И. И. Шмальгаузен. -Целое дифференцируется, а части специализируются. Однако эта автономизация выражается лишь в обособлении своей специфической функции. Жизнь любой части обеспечивается целым рядом общих функций...»

Обобщая сказанное, можно утверждать, что развивающиеся объект-системы характеризуются таким универсальным признаком, как целостность, а процесс образования целостности связан с формированием уровней организации. Целостность предполагает упорядоченность, наличие классов частей в противоположность хаотическому смешению элементов. В результате возникает иерархическая система, где все разнообразие элементов подразделяется на соподчиненные уровни организации. Это правило, действительно, оказывается универсальным для строения систем. Иерархичность организаций особенно заметна у биологических объект-систем: клетка – организм – популяция – биоценоз.

59. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМАТИКИ МОДЕЛЕЙ В БИОЛОГИИ

Существуют всевозможные классификации математических моделей.

В наибольшей степени обобщения модели любых систем могут быть двух типов – эмпирические и теоретические. Эмпирические модели – это математические выражения, аппроксимирующие экспериментальные данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется получения никаких представлений о строении и внутреннем механизме связей в системе. Вместе с тем задача о нахождении математического выражения эмпирической модели по заданному массиву наблюдений в пределах выбранной точности описания явления неоднозначна. Существует бесконечное множество математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и те же опытные данные о зависимости параметров.

Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы. Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между слагающими ее элементами.

Наряду с эмпирическими и теоретическими используются и полуэмпирические модели. Для них математические выражения получаются теоретическим путем с точностью до эмпирически получаемых констант либо в общей системе соотношений моделей наряду с теоретическими выражениями используются и эмпирические.

Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же либо к более узкому классу. Методы моделирования во многом сходны. Так, чрезвычайная сложность биологических систем заставляет с осторожностью относиться к данным, полученным при использовании их моделей, требует верификации данных. Специфичность биологических систем требует применения адекватного математического аппарата. Моделирование как метод исследования все шире используется в биологии. Выделяют следующие уровни структурной организации живого: клеточный – тканевой – органный – организменный – попу-ляционный – биоценотический – экосистемный. На каждом уровне в качестве объекта исследования выступают клетка, ткань, организм, популяция, сообщество, экосистема. Модели нашли свое применение на каждом уровне организации. Так, на клеточном уровне наиболее известны модели различных биохимических процессов, например фотосинтеза или биосинтеза белка. На органно-тканевом уровне часто применяются модели динамики физиологических процессов, как, например, модели образования и накопления молочной кислоты в мышцах.

С повышением уровня организации с помощью моделей удается получать преимущественно качественную информацию, в противном случае – количественную.

60. КЛЕТКА КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЖИВОЙ МАТЕРИИ НА МИКРОУРОВНЕ

Клетки – это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное как клеточная теория, сложилось постепенно в XIX в. в результате микроскопических исследований. Можно вполне убедительно обосновать клеточную основу жизни. Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть отделена от своего окружения и должна обладать способностью к обмену с этим окружением.

Все клетки живых организмов содержат цитоплазму и генетический материал в форме ДнК. ДНК регулирует жизнедеятельность клетки и воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки.

Не существует строгого определения, что такое жизнь. Четкое определение жизни дать затруднительно, поэтому это понятие определяется указанием существенных признаков.

1. Питание. Оно служит для живых организмов источником энергии и веществ. Растения усваивают энергию непосредственно через процесс фотосинтеза, животные и грибы – через расщепление чужой органики. Первые именуются автотрофами, а вторые – гетеротрофами.

2. Дыхание. Одной из основных его функций является освобождение энергии при расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая при этом энергия запасается в молекулахАтФ.

3. Раздражимость является способностью реагировать на изменение внешней и внутренней среды.

4. Подвижность. Это свойство следует понимать не только как действие, ведущее к изменению положения в пространстве, например для растений это менее всего характерно, но в большей степени как общий приспособительный элемент адаптационного поведения, чаще всего выраженный в изменении пространственных координат.

5. Выделение – выведение из организма конечных продуктов обмена веществ.

6. Размножение. Его эволюционная роль заключается в сохранении главных признаков родителей у потомства.

7. Рост – это один из наименее специализированных признаков живого вещества. Он характерен и для неживой материи, примером тому можно считать кристаллы, но и здесь можно провести принципиальное различие: рост кристаллов – это пассивное присоединение вещества снаружи, а рост живых организмов – выраженный процесс и результат жизнедеятельности.

Эти элементарные свойства жизни присущи биологическим системам уже на клеточном уровне организации, поэтому клетку правомочно считать элементарной структурной единицей жизни. Различные иерархические уровни сложных объектов имеют функциональное и структурное сходство. Данная аналогия давно подмечена и с успехом используется при подаче теоретического материала цитологии в разного рода учебных пособиях и в цитологической терминологии. К примеру, даже название структурных элементов клетки – «органеллы» является производным от «органов» многоклеточного организма. Подобие различных иерархических уровней в сложных системах получило название фрактальности. Клетка является открытой системой, которая обменивается с окружающей средой веществом и информацией, пропускает через себя поток энергии, непрерывно понижая энтропию. Этими свойствами обладает любая биологическая система.

61. ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ

Несмотря на общность структурной, биохимической и физиологической организации, присущую всем живым организмам, их можно поделить на две большие группы – прокариоты и эукариоты. Принципиальное и наиболее заметное различие между этими двумя группами организмов заключается в том, что эукариоты имеют особый органоид – ядро, т. е. генетический материал обособлен и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих ДНК и особые белки. Деление происходит в результате сложного процесса, называемого митозом. Однако неправильно будет сказать, что прокариоты не имеют ядра, так как у них есть ядроподобные структуры –нуклеоиды. Более корректное выражение: прокариоты не имеют оформленного ядра, так как нукле-оиды имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы мембраной. Наследственную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длинную молекулу ДНК.

Кратко охарактеризуем основные органеллы эука-риота.

Рибосомы синтезируют белковые молекулы, пользуясь молекулами информационной РНК как матрицами. Они являются самыми мелкими органел-лами. Они присутствуют как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Эндоплазматический ретикулум – сеть мембран, которые образуют отсеки, где проходит синтез и транспортировка синтезируемых в клетке веществ. Ядро содержит наследственный материал клетки в виде ДНК. Ядро имеется во всех эукариотических клетках. В ядрышках происходит частичный синтез рибосом.

Микротрубочки образуют сложную сеть, определяющую форму клетки, как бы клеточный скелет.

Они же позволяют клетке передвигаться и менять очертания.

Лизосомы содержат ферменты, разрушающие вещества, которые мешают жизнедеятельности клетки.

Хлоропласты, находящиеся в клетках растений, осуществляют фотосинтез.

В клеточную мембрану встроено множество сложных белковых молекул, регулирующих ее проницаемость и осуществляющих процессы обмена клетки с окружающей средой.

Митохондрии – это химические фабрики, генерирующие энергию клетки в процессах управляемого разложения молекул питательных веществ.

Клетки прокариот по сравнению с клетками эукари-от имеют ряд принципиальных различий; неодинаковое строение ядерного аппарата – не единственный отличительный признак. У прокариот в цитоплазме отсутствует система мембран, которая у эукариот образует эндоплазматический ретикулум, отсутствуют структурно оформленные органеллы, присущие эука-риотам, такие как митохондрии и хлоропласты, комплекс Гольджи, лизосомы. Особенности структурной организации обусловливают и ряд функциональных отличий прокариотических клеток от эукариотических. Прокариотам не свойственно направленное движение цитоплазмы, внутриклеточное пищеварение, явления фагоцитоза и пиноцитоза. Клетки подавляющего большинства прокариот значительно мельче эукариотиче-ских клеток, для них характерно большее соотношение поверхности к объему, что обусловливает более интенсивный обмен с окружающей средой. Рибосомы более мелкие, но их намного больше.

Систематическая характеристика этих групп показывает, что эукариоты объединяют животных, растения и грибы. В группу же прокариот входят бактерии, сине-зеленые водоросли.

62. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Науки о Земле – комплекс наук, изучающих Землю, ее геосферы, их природные свойства, население и результаты его хозяйственной деятельности. В число наук о Земле входят естественные и общественные науки. Любая из наук о Земле делится на общую и региональную. Общая наука изучает закономерности, присущие всем объектам, изучаемым этой наукой, а региональная – особенности этих объектов на определенной территории.

Науки, изучающие нашу планету (геология, тектоника, климатология, гидрология, география и т. д.), объединяются в раздел естествознания, называемый землеведением. Приведем лишь самый скромный перечень наук, в сферу исследования которых входит изучение нашей планеты.

Геология – наука о составе, строении, истории развития недр Земли, в первую очередь земной коры, а также о размещении в земной коре полезных ископаемых. В качестве составных частей в геологию входят минералогия (наука о составе и свойствах минералов), петрография (наука о составе и строении горных пород), палеонтология (наука о вымерших растениях и животных), геохронология, тектоника (изучает формы залегания геологических тел, движения земной коры), гидрогеология (наука о подземных водах), геофизика (изучает физические свойства всех геосфер и физические процессы, происходящие в оболочках Земли) и др.

География – система естественных, физико-географических и общественных, экономико-географических наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные и производственные территориальные комплексы, их компоненты и взаимосвязи между ними.

К физико-географическим наукам относятся общее землеведение (изучение Земли как мирового тела и его географической оболочки в целом), ландшаф-товедение (изучение закономерностей территориальной дифференциации географической оболочки), науки, изучающие отдельные компоненты географической оболочки: геоморфология (изучает строение, происхождение и развитие рельефа Земли), метеорология (наука об атмосфере Земли и происходящих в ней процессах), климатология, океанология, гидрология суши, гляциология, география почв, биогеография, палеогеография (изучает историю развития географической оболочки за период, предшествующий современному).

К экономико– и социально-географическим наукам относятся география населения, демография, география промышленности, сельского хозяйства, транспорта, непроизводственной сферы, политическая география, социальная география, экономическая география, страноведение, география рекреации и туризма и другие направления.

Экология – биологическая наука о взаимосвязи организмов и их сообществ с окружающей средой. В настоящее время для экологии характерно своеобразное «распыление» исследований и предмета изучения. Выделились такие направления, как природопользование, урбоэкология, агроэкология, промышленная экология, инженерная экология и др.

Геодезия – наука, изучающая форму и размеры Земли, методы измерения расстояний, углов и высот на земной поверхности. Раздел геодезии, включающий технологию и организацию измерений на местности для создания карт и планов, обычно называют топографией. Наука о картах, их создании и использовании называется картографией.

63. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ

В строении Земли выделяют три основных слоя: земную кору, мантию и ядро.

Земная кора – твердая слоистая внешняя оболочка Земли. Мощность земной коры в планетарном масштабе чрезвычайно мала (в среднем около 35 км). Мощность ее сильно меняется от 5 км под океанами до 70 км под горными сооружениями. На 90 % состоит из 8 химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, калия, натрия, магния. Есть 2 разновидности земной коры – континентальная (более мощная, сложная и имеет 3 слоя – осадочный, гранитный и базальтовый) и океаническая (более тяжелая и преимущественно базальтовая с отсутствием гранитного слоя).

Мантия распространяется на глубину 2900 км. Ее объем составляет 83 % (с ядром – 99 %) объема планеты. Несмотря на высокую температуру (2000 "С), вещество мантии вследствие огромного давления находится в твердом кристаллическом состоянии. Внутри мантии на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами начинается слой повышенной пластичности вещества, близкого к точке плавления, – астеносфера. Подошва астеносферы находится на глубинах порядка 400 км. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой. Литосфера – относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки – литосферные плиты.

Ядро находится на глубинах от 2900 до 6371 км, т. е. радиус ядра занимает более половины радиуса Земли и имеет мощность примерно 3500 км. Ядро состоит из внешнего и внутреннего слоев. Предполагают, что во внешней части ядра вещество находится в расплавленном подвижном состоянии и в нем изза вращения планеты возникают электрические токи, которые создают магнитное поле Земли; внутренняя часть ядра твердая. Земное ядро состоит из железа с примесью более легких элементов. С глубиной нарастают давление и температура, которая составляет в ядре около 5000 "С.

Слои Земли различаются по химическому составу, что связывают с дифференциацией первичного холодного вещества планеты в условиях его сильного разогрева и частичного расплавления. Предполагают, что при этом более тяжелые элементы (железо, никель и др.) «тонули», а относительно легкие (кремний, алюминий и др.) «всплывали». Первые образовали ядро, вторые – земную кору. Из расплава одновременно выделялись газы и пары воды, которые сформировали первичные атмосферу и гидросферу.

Абсолютный возраст Земли примерно равен 4,6 млрд лет. Возраст древнейших пород Земли – гранитогней-сов, обнаруженных на суше, – равен 3,8–4,0 млрд лет. О событиях геологического прошлого дает представление единая международная геохронологическая шкала. Ее основными временными подразделениями являются эры: архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская, кайнозойская. Древнейший интервал геологического времени, включающий ар-хей и протерозой, называют докембрием (90 % всей геологической истории Земли). Далее выделена палеозойская («древняя жизнь») эра (от 570 до 230 млн лет назад), мезозойская («средняя жизнь») эра (от 230 до 65–67 млн лет назад) и кайнозойская («новая жизнь») эра (от 65–67 млн лет до наших дней). Внутри эр выделяются меньшие временные отрезки – периоды.

64. ЛИТОСФЕРА КАК АБИОТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км.

Породы земной коры делятся на три класса, имеющих различное происхождение:

– магматические породы (гранит, базальт, габбро, туф);

– осадочные породы (мел, известняк, доломит, песок);

– метаморфические породы.

Современная наука позволяет говорить, что первоначально, непосредственно по завершении формирования литосферы, поверхность Земли была холодной (около 0 "С), небо практически безоблачным, разница между температурой дня и ночи достигала порядка 50 "С. Горы имели более изломанные очертания, чем сейчас, склоны были круче, а ущелья глубже. Без морей, рек, ледников, при разреженной безветренной атмосфере процессы эрозии были ничтожны. Зато интенсивный вулканизм порождал в земной коре глубокие разломы, многократно перестраивал, сминал в складки, опускал и поднимал земную поверхность. Потоки лавы образовывали озера, заливали огромные пространства и застывали. В результате вулканической деятельности из недр Земли выделялись газы и водяные пары, постепенно образовавшие атмосферу.

В трещинах и углублениях земной поверхности стала конденсироваться вода, сначала в виде небольших лужиц, постепенно сливавшихся в более крупные водоемы. Со временем образовался первичный океан. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. Примерно 4 млрд лет назад над пустынной Землей, покрывшейся водами, нависли тяжелые густые облака, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность сотрясали титанические бури и ураганы на фоне нестихающего вулка+низ-ма. Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Жизни еще не было, но, как считают многие ученые, уже имелись все предпосылки для ее появления.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. К субстратному относят теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются определенный состав элементов органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах – 97,4 %. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах – 1,6 %). Еще 20 участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-ое место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

65. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ: РЕСУРСНАЯ, ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ, ГЕОФИЗИКО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из ресурсов литосферы и других оболочек Земли, что нашло свое отражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используется более 200 различных видов ресурсов. Все природные ресурсы четко следует отграничивать от природных условий.

Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности.

Под полезными ископаемыми понимаются минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйственной деятельности человека. Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим закономерностям. К ресурсам литосферы относятся топливные, рудные и нерудные полезные ископаемые, а также энергия внутреннего тепла Земли. Таким образом, литосфера выполняет одну из важнейших для человечества функций – ресурсную – снабжение человека почти всеми видами известных ресурсов.

Кроме ресурсной функции, литосфера выполняет и еще одну важную функцию – геодинамическую. На Земле непрерывно проходят геологические процессы. В основе всех геологических процессов лежат разные источники энергии. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде и гравитационной дифференциации веществ внутри Земли.

С внутренними процессами связаны различные тектонические движения земной коры, создающие основные формы рельефа – горы и равнины, магматизм, землетрясения. Тектонические движения проявляются в медленных вертикальных колебаниях земной коры, в образовании складок горных пород и тектонических разломов. Постоянно происходит изменение внешнего облика земной поверхности под воздействием литосферных и внутриземных процессов. Мы воочию можем находятся лишь немногие из таких процессов. К ним, в частности, относятся такие грозные явления, как землетрясения и вулканизм, вызванные сейсмической активностью внутриземных процессов.

В разнообразии химического состава и физико-химических свойств земной коры и заключается следующая функция литосферы – геофизико-геохими-ческая. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры: кислород – 47 %, кремний -27,5 %, алюминий – 8,6 %, железо – 5 %, кальций, натрий, магний и калий – 10,5 %, на все остальные элементы приходится около 1,5 %, в том числе на титан – 0,6 %, углерод – 0,1 %, медь -0,01 %, свинец – 0,0016 %, золото – 0,0000005 %. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99 % земной коры. Выполнение литосферой данной, не менее важной, чем предыдущие, функции приводит к наиболее эффективному хозяйственному использованию практически всех слоев литосферы. В частности, наиболее ценным по своему составу и физико-химическим свойствам является верхний тонкий слой земной коры, обладающий естественным плодородием и именуемый почвой.