Структурные уровни жизни: от молекулярного до биосферного

Уровень организации живых организмов — это

Атомный

Атомы — мельчайшие компоненты материи, которые являются неделимыми. Они являются строительными блоками для материи.

Эксперименты, которые привели к открытию субатомных частиц:

1. Электроны (отрицательно заряженные частицы) — открыты Томсоном в 1897 году, что было результатом поисков катодных лучей в поисках носителя, который помогает переносить электронные свойства материи.
2. Протоны (положительно заряженные частицы) — открыты с помощью электрического разряда в модифицированной катодной лучевой трубке Резерфордом в 1919 году.
3. После открытия положительной и отрицательной субатомных частиц ученые почувствовали необходимость существования в атоме нейтральной частицы, что привело к открытию нейтрона Чедвиком в 1932 году.

После открытия электрона Томсон провел эксперимент по определению отношения заряда к массе электрона, которое оказалось равным 1,758820 * 1011 C Kg-1. И далее, используя эту константу, Милликан сформулировал массу и заряд электрона.

Масса электрона, me =9,1094×10-31 Кг;

Заряд электрона, e= -1,6×10-19 C.

Молекулярный

Атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы. Примерами являются:

• чистая вода (H2O);
• хлорид натрия (NaCl - также называется поваренной солью);
• глюкоза ( C6H12O6);
• белки;
• углеводы;
• липиды.

Многие биологически важные молекулы — макромолекулы, которые обычно образуются путем полимеризации (полимер — большая молекула, которая образуется путем объединения меньших единиц, называемых мономерами, которые проще, чем макромолекулы). Примером макромолекулы является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая содержит инструкции по строению и функционированию всех живых организмов.

Молекула — это наименьшая единица вещества, сохраняющая его содержание и свойства. Она состоит из двух или более атомов, соединенных между собой химическими связями.

Клеточный

Является основным строительным блоком жизни. Выполняет различные метаболические функции, например, обеспечивает структуру и жесткость тела и преобразует пищу в питательные вещества и энергию. Хотя клетка и не является самой маленькой частицей (органеллы, молекулы и атомы еще меньше), ее называют так потому, что это самое маленькое живое существо, способное функционировать самостоятельно.

На этом уровне организмы можно разделить на два вида: одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные являются самыми многочисленными из всех живых существ. Организмы обладают протоплазматической организацией. Многоклеточные имеют более высокие уровни организации, такие как клеточная организация (губки), тканевая организация (кишечнополостные), организация органов и систем органов.

В целом, делятся на два типа:

1. Прокариотическая.
2. Эукариотическая.

Некоторые содержат агрегаты макромолекул, окруженные мембранами; они называются органеллами. Органеллы — небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специализированные функции. Все живые существа состоят из клеток; клетка сама по себе является наименьшей фундаментальной единицей структуры и функции в живых организмах. Именно поэтому вирусы не считаются живыми: они не состоят из клеток. Чтобы создать новые вирусы, они должны вторгнуться в живую клетку и захватить ее; только так они могут получить материалы, необходимые для размножения.

Субклеточный уровень

1. Биологические комплексы или макромолекулы собираются в клеточные органеллы.
2. Функция, структура и свойства каждой органеллы уникальны. Их расположение в клетке также отличается.
3. Органеллы не являются самодостаточными.
4. Ядро, рибосомы, митохондрии, хлоропласт, вакуоли и комплекс Гольджи — примеры.

Клеточный уровень

1. Органеллы работают вместе, образуя живую клетку.
2. Каждая клетка — законченная единица, выполняющая все жизненно важные функции, такие как дыхание, пищеварение и выделение, что делает ее фундаментальной единицей жизни.
3. Обладает способностью к самостоятельному воспроизводству.
4. Клетку можно представить как совокупность взаимосвязанных клеточных органелл.
5. Наличие или отсутствие ограниченного мембраной ядра определяет, является ли клетка прокариотической или эукариотической.

Если у многоклеточных организмов ткани не образуются, их организацию тела называют клеточной. Пример: тип — губки.

Тканевый

Когда подобные клетки объединяются, они образуют ткань. Ткань — это группа взаимосвязанных клеток, выполняющих одну и ту же функцию. Как и клетки, они выполняют метаболические процессы, которые поддерживают жизнь организма.  Большинство тканей состоит из множества типов клеток, которые отвечают за различные аспекты функционирования.

В многоклеточных организмах изучение тканей называется гистологией (от греческих слов histos — «ткань» и logos — «изучение»). Для изучения анатомии различных тканей в этой области используется микроскопия. Микроскопическая биологическая наука гистология сыграла решающую роль в классификации тканей как растительных, так и животных, а также в выявлении их специфических структурных особенностей и характеристик.

Виды тканей животных

1. В организме и его органах эпителиальные ткани служат как защитным покрытием, так и внутренней выстилкой. Их развитие началось в период эмбрионального развития и было первым в ходе эволюции. За развитие этих структур отвечают эктодермальный, мезодермальный и эндодермальный слои эмбриона.
2. Мезодермальные клетки эмбриона дают начало соединительным тканям. В организме они служат опорой и связующим звеном для других тканей. Для их построения используется трехкомпонентная структура: гиалуроновая кислота и клетки. Также коллаген, эластические волокна и ретикулярные волокна — это три формы волокнистой ткани, составляющие соединительные ткани, причем коллаген является наиболее многочисленным. Органы и ткани, которые они соединяют друг с другом, называются фибробластами.
3. Из мезодермы эмбриона развивается и созревает мышечная ткань. Она способствует движению и подвижности человека или животного. Кости и другие опорные структуры обеспечиваются этой структурой. Этим органом контролируются перистальтика и зачатие.
4. Периферическая и центральная нервные системы состоят из нервной ткани. Эмбриональная эктодерма служит отправной точкой для ее развития. Способность нервного импульса инициироваться и передаваться обеспечивается этой структурой. В неврологической системе нейроны служат как структурной, так и функциональной единицей. Помимо аксона и тела клетки, он также имеет дендриты (отростки клетки).

Нейроглия — это особые клетки, которые можно найти в головном и спинном мозге, и они играют важную роль в обучении и памяти. Они не только поддерживают нейроны и волокна, но и служат для них каркасом. Эти клетки выполняют эндокриноподобные функции и известны как нейросекреторные клетки (НСК). Они доставляют химические вещества непосредственно в кровоток из аксонов.

Органный

Орган — это совокупность тканей и сходных структур, которые функционируют как единое целое. Органы многоклеточных организмов, на самом деле, очень разнообразны. Органы растений включают цветы (если они есть), корни, стебли и листья. С другой стороны, органы животных включают мозг, сердце, желудок, глаза и многое другое.

Структура клеток, тканей, органов и систем органов тесно связана с их функциями на каждом уровне организации. Например, клетки тонкого кишечника, всасывающие питательные вещества, сильно отличаются от мышечных клеток, которые приводят тело в движение. Форма сердца отражает его функцию — перекачивать кровь по всему телу, в то время как форма легких максимально повышает их способность вбирать кислород и выводить углекислый газ.

Система органов

Многие системы организма выполняют различные функции. Например, пищеварительная система отвечает за заглатывание и переработку пищи, а дыхательная система в сотрудничестве с кровеносной системой — за вдыхание кислорода и выделение углекислого газа. Мышечная и скелетная системы отвечают за движение, репродуктивная система — за размножение, а выделительная — за выведение отходов метаболизма.

Благодаря своей специализации эти многочисленные системы взаимозависимы. Пищеварительная, мышечная, скелетная, репродуктивная и выделительная системы требуют для своей работы кислорода из дыхательной системы, а клетки дыхательной системы, как и клетки других систем, нуждаются в питательных веществах и должны выводить отходы метаболизма. Все системы организма работают вместе, чтобы поддерживать его жизнь и здоровье.

Организменный

Организмом можно назвать любое живое существо, состоящее из различных систем органов, которые функционируют в совокупности. Ученые насчитывают около 8,7 миллиона организмов, но идентифицировано только 1,2 миллиона.

Организмы являются важным компонентом окружающей среды, более того, экосистемы. В биологии под организмами понимают отдельные живые системы, состоящие из клеток, которые имеют организованные структуры различных органов, участвуют в размножении, дают реакции на раздражители и соответствующим образом изменяют характеристики для поддержания и принятия гомеостаза.

Типы:

1. Продуценты — организмы, которые производят собственную пищу с помощью сырья. Все зеленые растения и водоросли, которые синтезируют свою пищу с помощью биологического процесса, называемого фотосинтезом, являются примерами продуцентов.
2. Потребители — полностью зависят от растений или других животных. Все плотоядные, всеядные и травоядные являются их примерами.
3. Травоядные — питаются только травой, травами, листьями, плодами и другими частями растений. Примером травоядных являются слон, олень, жираф, обезьяна, носорог.
4. Плотоядные — питаются плотью других животных. Эти животные питаются только охотой и убийством других животных. Тигр, лев, гепард, леопард — пример плотоядных.
5. Всеядные — питаются как растениями, так и животными. Медведи, еноты, вороны — примеры.
6. Паразиты — организмы, выживание которых полностью зависит от их хозяина. Они живут внутри или на теле человека, получают пищу и наносят вред клеткам хозяина. Ленточные черви и блохи — примеры.
7. Падальщики — организмы, питающиеся мертвой и разлагающейся биомассой. Они играют важную роль в нашей экосистеме, поддерживая чистоту окружающей среды путем поедания мертвых животных и растительного материала. Гриф, енот, ворона, лиса — примеры падальщиков.
8. Хищники — охотятся и убивают свою жертву ради пропитания. Все дикие животные являются примерами хищников. Лев охотится на оленей и зебр, лиса — на кроликов и т.д.
9. Разлагатели — питаются, расщепляя мертвые и разлагающиеся органические вещества. Грибки и некоторые черви являются примерами разлагающих организмов.

Другие уровни

Отдельные организмы

Отдельный организм — единое живое существо, варьируется от одноклеточных до сложных многоклеточных.

1. Каждый отдельный организм обладает уникальной генетической структурой и характеристиками.
2. Представляет собой фундаментальную функциональную единицу, т.к. его выживание и размножение способствуют динамике более высоких уровней.

Популяционный

Когда сходные организмы объединяются в группы, они образуют следующий уровень организации — популяцию. Она формируется, когда такие особи проживают в общей среде в определенное время. Например, популяция может меняться с течением времени под влиянием различных событий, таких как рождение, смертность и миграция организмов. Количество особей в популяции часто зависит от изобилия ресурсов и благоприятного климата. Кроме того, хищничество и конкуренция также являются биологическими факторами, контролирующими популяции.

1. Популяции содержат генетическое разнообразие, которое позволяет понять адаптацию, эволюцию и потенциальное выживание в условиях изменения среды.
2. Размер, плотность и характер роста популяции зависят от рождаемости, смертности, иммиграции и эмиграции, отражающих воздействие окружающей среды.

Сообщество

Определяется как взаимодействие различных популяций друг с другом. Существуют различные виды взаимодействия: мутуализм, комменсализм, хищничество, паразитизм и конкуренция. Определенная популяция организмов доминирует в сообществе  является относительно более многочисленной, чем другие. Это считается отличительной характеристикой биологического сообщества.

Сообщества включают в себя все популяции различных видов, сосуществующих на определенной территории. Взаимодействие между видами внутри сообществ является фундаментальным аспектом экологии.

Биоразнообразие в сообществах способствует устойчивости экосистемы, ее функциональности и реакции на возмущения. Концепция измерения биоразнообразия дает представление о здоровье и устойчивости экосистем.

Экосистема

Экосистема — это взаимодействие (организмов, популяции и сообщества) с абиотической или неживой средой. Биотические (живые) члены экосистемы сильно зависят от таких абиотических факторов, как погода, солнечный свет, глубина воды, соленость и наличие питательных веществ. Таким образом, наличие или отсутствие даже одного фактора может сильно повлиять на экосистему. Кроме того, одной из отличительных характеристик экосистемы является то, что каждый организм имеет свою нишу или роль, которую он должен выполнять.

1. В экосистемах происходит передача энергии через трофические уровни, от производителей до высших хищников.
2. Круговорот питательных веществ: Экосистемы способствуют важнейшим биогеохимическим циклам, обеспечивая рециркуляцию таких важных элементов, как углерод, азот и фосфор.
3. Экосистемные услуги: к ним относятся провиантские (например, пища), регулирующие (например, контроль климата), поддерживающие (например, круговорот питательных веществ) и культурные (например, отдых) услуги.

Биом

Биом — огромная географическая область, где существуют различные экосистемы и адаптируются организмы. В целом это скорее континентальная группа различных экосистем в определенном климате.

1. Влияние климата: Климат в значительной степени влияет на типы флоры и фауны, воздействуя на экологические функции.
2. Географическое распространение: Биомы обеспечивают глобальную основу для понимания закономерностей жизни, связывая местные экосистемы с глобальной экологией.

Биосфера

Биосфера — самый верхний уровень в иерархии живых организмов. Является глобальной системой, включающей в себя все, где существует жизнь, и абиотическую среду, в которой она обитает. Она представляет собой совокупность всех экосистем на Земле; поэтому ее также называют экосферой.

1. Представляет собой все экологические взаимодействия, отражающие сложную взаимосвязь жизненных процессов на Земле.
2. Позволяет изучать влияние человека на глобальную экологию, включая такие проблемы, как изменение климата, загрязнение и разрушение среды обитания.