Контрольная работа по дисциплине "Концепции современного естествознания"

Вопрос №1 «Концепция уровней биологических структур и организации живых систем»

Изучение разнообразия форм и явлений живой природы с точки зрения уровня определяющих их биологических структур дает возможность теоретически представить, как могли возникнуть первые живые системы на Земле и как происходил процесс эволюции от простейших и менее организованных систем к системам более сложным и высокоорганизованным.

 Исторически биология  развивалась как описательная  наука о многообразных формах  и видах растительного и животного  царства. Поэтому важнейшее место  в ней заняли методы описания, анализа, систематизации и классификации  огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. Первые  классификации, наиболее известной  из которых была система растений  К. Линнея (1707—1778), а также классификация  животных Ж. Бюффона (1707—1788), носили  в значительной мере искусственный  характер, поскольку не учитывали  происхождения и развития живых  организмов. Тем не менее они  способствовали объединению всего  известного биологического знания, его анализу и исследованию  причин и факторов происхождения  и эволюции живых систем.

 Без такого исследования  невозможно было бы, во-первых, перейти  на новый уровень познания, когда  объектами изучения биологов  стали живые структуры сначала  на клеточном, а затем и на  молекулярном уровне.

 Во-вторых, обобщение  и систематизация знаний об  отдельных видах и родах растений  и животных требовали перехода  от искусственных классификаций  к классификациям естественным, где их основой должен стать  принцип генезиса, происхождения  новых видов, а следовательно, разработка  теории эволюции. Такие попытки  создания естественной классификации, опирающиеся на весьма несовершенные  еще принципы эволюции, предпринимались  Ж.Б. Ламарком (1744—1829) и Э.Ж. Сент-Илером (1772—1844). Не подлежит сомнению, что  они послужили важной вехой на пути создания Ч. Дарвином (1809—1882) первой научной теории эволюции растений и животных.

 В-третьих, именно традиционная, описательная или эмпирическая  биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался  целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый  мир живых существ. Дальнейший, теоретический  шаг в понимании неизбежно  связан с анализом непосредственно  данной живой системы, ее расчленением  на отдельные подсистемы и  элементы, изучением структуры системы, выявлением различных структурных  уровней организации живых систем.

Молекулярно-генетический уровень.

Долгое время в связи с изучением синтеза органических веществ основное внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим тогда казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Было установлено, что наследственное вещество в виде хромосом содержится в ядрах клеток. У человека насчитывается 23 пары хромосом, причем 22 пары являются одинаковыми у мужчин и у женщин, последняя же пара дает возможность определять пол. У женщин эта пара содержит одинаковые хромосомы, названные Х-хромосомами, а у мужчин — разные, т.е. X и Y.

 В хромосомах содержится  наследственное вещество, о существовании  дискретных единиц которого писал  в 1865 г. Г. Мендель, а В. Иогансен назвал  это вещество геном. Однако и  природа, и структура гена оставались  нераскрытыми. Наиболее важным открытием  на этом пути было выделение  из состава ядра клетки богатого  фосфором вещества, обладающего  свойствами кислоты и названного  впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить  углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в другом — D-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или сокращенно ДНК, а второй —рибонуклеиновыми кислотами, или кратко РНК.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию.

Все химические реакции в клетке совершаются в соответствии с программой, закодированной в виде наследственной информации в молекулах ДНК и передаваемой от нее молекулам РНК. В живой клетке в процессе обмена веществ на молекулах ДНК синтезируется информационная РНК, которая переносится в рибосомы и служит матрицей для синтеза белков.

 Ген представляет собой  определенный участок молекулы  ДНК вместе со специфическим  набором нуклеотидов, в линейной  последовательности которых записана  генетическая информация. Каждый  ген ответствен за синтез определенного  белка или фермента. Контролируя  процесс их образования, гены  управляют всеми химическими  реакциями организма и тем  самым определяют его признаки.

 Передача наследственных  свойств организма от одного  поколения другому достигается  благодаря способности молекулы  ДНК самокопироваться и самоудвоению  хромосом при клеточном делении. Сам процесс воспроизводства  складывается из трех стадий: репликации, транскрипции и трансляции. Совокупность генов организма  образуют его генотип.

 Одна из основных  функций генов состоит в кодировании  синтеза белков.

Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Однако кроме переноса свойств от одного организма другому существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические рекомбинации».

 В одних случаях, называемых  «классическими», они не приводят  к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом  у высших организмов. В других, «неклассических» случаях рекомбинация  сопровождается увеличением информации  генома клетки.

Онтогенетический уровень.

Онтогенетическим называют индивидуальный уровень развития и считают, что этот уровень охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные живые организмы, а раньше чаще всего его рассматривали как включающий только многоклеточные организмы.

 Сам термин «онтогенез»  ввел в науку известный немецкий  биолог Э. Геккель, автор знаменитого  биогенетического закона, согласно  которому онтогенез в краткой  форме повторяет филогенез. Это  означает, что отдельный организм  в своем индивидуальном развитии  в сокращенной форме повторяет  историю рода, т.е. филогенеза (от  греч. — род).

 В настоящее время  различают три типа онтогенетического  уровня организации живых систем, представляющих собой три линии  развития живого мира: 1) прокариоты 2) эукариоты и 3) архебактерий.

 Структурный подход  к анализу первичных живых  систем на онтогенетическом уровне  нуждается в освещении функциональных  особенностей их жизнедеятельности  и обмена веществ. Среди них  особого внимания заслуживает  исследование трофических, или пищевых, потребностей организмов. В ходе  многочисленных длительных исследований  были выделены прежде всего  два главных типа питания.

 К первому, автотрофному  типу относились организмы, которые  не нуждались в органической  пище и могли жить либо за  счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному типу принадлежали все организмы, которые не могли жить без органической пищи.

 По вопросу о том, какой тип питания возник в  начале становления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые  не без основания полагают, что  сначала появился автотрофный  тип, поскольку сложные органические  вещества, необходимые для гетеротрофного  питания, могли образоваться лишь  после того, как автотрофные организмы  создали для этого необходимые  условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное питание появилось  раньше автотрофного. Такого допущения, в частности, придерживается в  своей гипотезе происхождения  жизни А.И. Опарин, полагая, что уже  первичный «бульон», в котором  зародилась жизнь, содержал органические  соединения как питательную среду  для дальнейшего развития.

 Простая первоначальная  классификация основных типов  питания и соответственно организмов  на автотрофы и гиперотрофы  в дальнейшем подверглась изменениям  и уточнениям, в которых выявлялись  такие важные факторы, как способность  организмов синтезировать необходимые  вещества для роста (витамины, гормоны  и специфические ферменты), обеспечивать  себя энергией, источниками получения  углерода, азота и водорода; зависимость  от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и дифференцированный  характер трофических потребностей  организмов свидетельствует о  необходимости целостного, системного  подхода к изучению живых систем  и на онтогенетическом уровне.

 Целостность, взаимосвязь  и взаимодействие выступают в  общей форме функциональной системности, которая находит выражение в  согласованном функционировании  различных компонентов одноклеточных  и многоклеточных организмов.

 При этом отдельные  компоненты содействуют и способствуют  согласованному функционированию  других, обеспечивая тем самым  единство и целостность в осуществлении всех процессов жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная системность в специфических формах выступает и на других уровнях организации живых организмов. Она является конкретным воплощением системного характера организации живой природы на всех ее уровнях, которая может лишь возрастать и усиливаться в зависимости от места, занимаемого организмом на эволюционной лестнице развития природы.

Уровни организации живых систем.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Его называют также организменным уровнем, поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного организма без учета его связей и взаимодействий с другими организмами. При переходе к популяциям все внимание сосредоточивается на изучении совокупности или, точнее, системы взаимодействующих отдельных организмов.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или системы, живых организмов составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

 Приведенное общее  определение популяции дает возможность  отличать организменный уровень  живого от уровня надорганизменного. Сам термин «популяция» (от фр. — население) был введен одним  из основателей генетики —  В. Иогансоном (1857—1927), который с  его помощью обозначал генетически  неоднородную совокупность opганизмов  в отличие от однородной, называемой  им «чистой линией».

 В дальнейшем этот  термин и обозначаемое им понятие  приобрели более глубокий смысл. Многие современные ученые характеризуют  популяцию не столько как простую совокупность отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в которой они непрерывно

 взаимодействуют друг  с другом и с окружающей  средой. Благодаря этому они оказываются  способными к трансформациям, изменению  своего ареала и, самое главное, к развитию.

 Популяции представляют  собой первый надорганизменный  уровень организации живых существ. Хотя он тесно связан с онтогенетическим  и молекулярным уровнями, но качественно  отличается от них по характеру  взаимодействия составляющих компонентов, ибо в этом взаимодействии  они выступают как целостные  общности организмов. По современным  представлениям, именно популяции  служат элементарными единицами  эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами.

Биоценоз- это исторически сложившееся, устойчивое  сообщество популяций, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ.

Биоценозы являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.).

 Для его обозначения  академик В.Н. Сукачев (1880—1967) ввел  термин биогеоценоз.Биогеоценоз- совокупность биоценозов и их среды обитания, образующих биосферу Земли.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки, называемая популяционной биологией. Одна из основных проблем, которую она призвана решить, заключается в установлении пространственной структуры и объемов популяций. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в силу подвижности элементов популяции, т.е. составляющих ее организмов, происходит непрерывное перемешивание популяций. Другая трудность заключается в наличии внутри популяций различных группировок и даже существовании популяций разных рангов.

 В рамках популяционной  биологии исследуются также весьма  важные проблемы метаболического  взаимодействия между популяциями  и биоценозами, которые относятся  прежде всего к изучению их  трофических, или пищевых, связей. Именно  на этой основе происходит  разграничение популяций и биоценозов. Оно состоит в том, что популяции: представляют собой незамкнутые, открытые метаболические системы, которые могут существовать и  развиваться только при взаимодействии  с другими популяциями. В отличие  от них биоценозы — относительно  замкнутые метаболические системы, в которых обмен и круговорот  веществ может осуществляться  в рамках входящих в биоценоз  популяций. Однако эта замкнутость  имеет ограниченный и относительный  характер, хотя бы потому, что  разные биоценозы также взаимодействуют