Дискретность и целостность в биологии: ключевые свойства живых систем

alexxlabРазное
Что такое дискретность и целостность в биологии. Как эти свойства проявляются в живых организмах. Почему дискретность и целостность важны для функционирования биологических систем. На каких уровнях организации жизни можно наблюдать дискретность и целостность.

Содержание

Дискретность и целостность как фундаментальные свойства живой материи

Дискретность и целостность являются одними из ключевых свойств живых систем. Эти характеристики тесно взаимосвязаны и играют важную роль в функционировании организмов на разных уровнях организации жизни.

Что такое дискретность в биологии?

Дискретность в биологии означает прерывистость, раздельность структурных элементов живых систем. Это свойство проявляется в том, что любой биологический объект состоит из отдельных, пространственно обособленных частей.

Примеры проявления дискретности в живых системах:

  • Клетка состоит из отдельных органелл (ядро, митохондрии, рибосомы и т.д.)
  • Ткань образована множеством отдельных клеток
  • Организм состоит из органов и систем органов
  • Популяция включает отдельные особи
  • Биоценоз объединяет популяции разных видов

В чем заключается целостность биологических систем?

Целостность означает единство и взаимосвязанность всех частей живой системы. Несмотря на дискретность структуры, элементы биологических объектов тесно взаимодействуют между собой, образуя функциональное единство.


Проявления целостности в биологии:

  • Согласованная работа всех органелл в клетке
  • Взаимодействие клеток в составе тканей и органов
  • Координация работы всех систем органов в организме
  • Взаимосвязи особей в популяции
  • Пищевые и другие связи между видами в экосистеме

Почему дискретность и целостность важны для жизнедеятельности организмов?

Сочетание дискретности и целостности имеет большое значение для нормального функционирования живых систем:

  1. Разделение на отдельные структуры позволяет специализировать их функции
  2. При этом взаимодействие частей обеспечивает слаженную работу системы в целом
  3. Дискретность создает возможность для гибкой перестройки и развития системы
  4. Целостность поддерживает устойчивость биологических объектов
  5. Сочетание этих свойств позволяет живым системам адаптироваться к изменениям среды

Проявление дискретности и целостности на разных уровнях организации жизни

Рассмотрим, как дискретность и целостность проявляются на основных уровнях организации живой материи:

Молекулярный уровень

Дискретность: отдельные молекулы белков, нуклеиновых кислот, липидов и др.


Целостность: взаимодействие молекул в ходе биохимических процессов.

Клеточный уровень

Дискретность: клетка состоит из отдельных органелл.

Целостность: согласованное функционирование всех структур клетки.

Тканевый уровень

Дискретность: ткань образована множеством отдельных клеток.

Целостность: взаимодействие клеток для выполнения функций ткани.

Организменный уровень

Дискретность: организм состоит из органов и систем органов.

Целостность: координированная работа всех систем организма.

Популяционно-видовой уровень

Дискретность: популяция включает отдельные особи.

Целостность: генетические и экологические связи между особями.

Биоценотический уровень

Дискретность: биоценоз состоит из популяций разных видов.

Целостность: взаимосвязи между видами в экосистеме.

Значение дискретности и целостности для эволюции живых систем

Дискретность и целостность играют важную роль в эволюционных процессах:

  • Дискретность обеспечивает возможность изменений отдельных структур
  • Целостность позволяет сохранять жизнеспособность системы при изменениях
  • Сочетание этих свойств создает основу для действия естественного отбора
  • Дискретность способствует появлению новых признаков
  • Целостность обеспечивает интеграцию новых свойств в систему

Методы исследования дискретности и целостности биологических объектов

Для изучения дискретности и целостности живых систем используются различные методы:


  1. Микроскопия – позволяет исследовать дискретные структуры клеток и тканей
  2. Биохимические методы – изучение взаимодействий на молекулярном уровне
  3. Физиологические эксперименты – исследование целостных функций организма
  4. Популяционные исследования – изучение структуры и динамики популяций
  5. Экологические наблюдения – анализ связей между компонентами экосистем

Практическое значение понимания дискретности и целостности в биологии

Знание особенностей дискретности и целостности биологических систем важно для решения многих практических задач:

  • Разработка новых лекарственных препаратов
  • Создание устойчивых сортов растений и пород животных
  • Сохранение биоразнообразия
  • Борьба с инфекционными заболеваниями
  • Оптимизация сельскохозяйственного производства
  • Прогнозирование экологических изменений

Заключение: дискретность и целостность как ключ к пониманию жизни

Дискретность и целостность являются фундаментальными свойствами живой материи, которые проявляются на всех уровнях организации – от молекул до биосферы. Их сочетание обеспечивает уникальные особенности живых систем: способность к самовоспроизведению, саморегуляции, адаптации и эволюции. Понимание закономерностей дискретности и целостности позволяет глубже проникнуть в тайны жизни и использовать эти знания для решения практических задач в медицине, сельском хозяйстве и охране природы.



Биология как наука. Часть 1

На этой странице вы узнаете
  • Как организм без нервов может быть “раздражительным”?
  • Как выучить уровни организации жизни с помощью матрешки?

Со словом “биология” мы знакомы еще с раннего детства, и даже сейчас, будучи взрослыми, часто им пользуемся. Этим термином мы пытаемся оправдать многие события в жизни. Прокрастинация — во всём виновата биология мозга, предменструальный синдром — ох уж эта женская природа. Так что же такое биология? С этим вопросом мы разберемся в данной статье.

Что такое “биология”? Признаки живого

Биология — это наука о жизни. 

Она изучает особенности живых организмов и систем, образуемых ими. 

По каким критериям можно определить, что организм живой? 

Можно потыкать палкой. Но такой метод считается ненаучным. Давайте лучше разберемся по характеристикам.

Вирусная частица и пылинка движутся по воздуху примерно с одинаковой скоростью, обе не проявляют никаких признаков активности. Но вирион считается формой жизни, а пылинка — нет… почему? 

Биологи составили перечень признаков живого, своеобразных критериев, по которым можно “найти” жизнь. К ним относятся:

  1. Обмен веществ и энергии с окружающей средой

К проявлениям этого свойства относятся дыхание, выделение тепла и питание организмов. Если организм что-то получает извне, или отдает во внешнюю среду — происходит метаболизм.

Метаболизм — обмен веществ.

У некоторых форм жизни (вирусных частиц, цист простейших и спор бактерий) обмен веществ с внешним миром не происходит совсем или протекает замедленно. Причина медленного метаболизма в неблагоприятных условиях среды — если нечего кушать, то и питаться нужно экономно.

Обмен веществ нормализуется при попадании организма в благоприятные жизненные условия. Именно поэтому медицинские инструменты не промораживают, а кипятят перед использованием. При высоких температурах бактерии погибают, а при низких — образуют споры, что даёт им возможность в дальнейшем продолжить свою жизнедеятельность.  

  1. Рост и развитие

Далеко не все организмы способны увеличиваться в размерах после своего появления, но все они развиваются: даже у одноклеточных форм в процессе старения возникают или редуцируются какие-то органоиды.

Редукция — упрощение или полное исчезновение какого-то органа в процессе эволюции. 

У паразитических червей за ненадобностью утрачивается пищеварительная система. Незачем самому переваривать пищу, если ты и так плаваешь в кашице из питательных веществ. У подземных животных, например, у крота, очень плохое зрение — всё равно в темноте оно бесполезно.

  1. Дискретность и целостность

Дискретность — наличие подлежащих структурных единиц.

Целостность — взаимосвязь этих единиц. 

Любой живой организм состоит из каких-то частей: многоклеточное животное состоит из клеток, одноклеточное — из органоидов, погруженных в цитоплазму и покрытых мембраной. Этот факт является доказательством того, что все организмы дискретны.

В свою очередь утрата какого-либо компонента организма приводит к патологии (а иногда даже к гибели). Следовательно, организмы целостны, и все их структурные части взаимосвязаны. 

Можно провести аналогию с клавиатурой. Она является дискретным организмом: её тело состоит из множества кнопок. Она является целостным “организмом”: вместе все кнопки помогают набирать текст или код. Но стоит вашему котику опрокинуть чашку с чаем на клавиатуру, как какие-то кнопки выходят из строя. И тогда это приводит к патологии: нормальный текст уже не наберешь, клавиатура становится бесполезной. Целостность нарушается.

Растительная клетка дискретна — она состоит из множества более мелких структур
  1. Наследственность и изменчивость

Живые организмы наследуют характеристики родительских особей, а в результате мутаций у них могут появляться и новые признаки. Наследственная изменчивость очень важна, она помогает организмам приспосабливаться к новым условиям обитания. 

Однако не всегда мутации бывают полезными: есть и вредные, и нейтральные изменения генотипа. Пример полезной мутации — появление темной окраски у бабочки березовой пяденицы, живущей в городе. В городских условиях больше тёмных объектов, и такой окрас помогает ей прятаться от хищников. Вредные мутации вызывают заболевания, например, гемофилию или ихтиоз. 

К нейтральным мутациям можно отнести гетерохромию — разную окраску радужек глаз. Для эволюции нет особого значения, какие у вас глаза: карие, голубые или “голубо-карие”.

  1. Гомеостаз или саморегуляция

Гомеостаз — поддержание постоянства внутренней среды. 

Каждая биологическая система старается сохранять внутреннюю среду в относительно неизменном виде.

К проявлениям саморегуляции относятся поддержание температуры тела у некоторых животных, постоянный химический состав клетки, способность к регенерации.

Регенерация — восстановление утраченных или повреждённых участков тела. Например, ящерица, которой наступили на хвост, может вырастить взамен новый.

  1. Раздражимость

Живые тела способны реагировать на раздражения, поступающие из внешней среды. Например, если мы ощутим жар горячего предмета, мы отдернем от него руку. Такой вид раздражимости называется рефлексом, он связан с деятельностью нервной системы. 

Это помогает организму ориентироваться в окружающей среде, искать пищу, укрываться от непогоды и врагов. То есть выживать в меняющихся условиях среды.  

Рефлекс — реакция на раздражитель, обусловленная работой нервной системы.

Как организм без нервов может быть “раздражительным”?

Для организмов, не имеющих нервной системы, характерен другой вид раздражимости — таксисы. Различают фото- и хемотаксисы. Первые являются ответом на изменение интенсивности освещения. Например, эвглена зеленая, способная к автотрофному питанию, будет двигаться навстречу свету, потому что для неё это выгодно — так она сможет эффективнее фотосинтезировать.

Хемотаксис — ответ на изменение химического состава внешней среды. 

Движение амёбы к каплям питательного бульона или от кристалла соли — примеры хемотаксисов.

  1. Размножение

Все живые организмы стремятся к увеличению численности популяции и сохранению существования вида в целом

Различают три типа размножения:

  • половое, 
  • бесполое
  • вегетативное. 

В половом размножении участвуют половые клетки — гаметы. Главная его цель — поставка новых признаков для эволюции вида.

В бесполом — специализированные органы — споры. Его главная цель — сохранение уже имеющихся признаков, позволяющих виду успешно существовать в относительно постоянных условиях.  

А вот вегетативное размножение протекает без образования особых структур.

Вегетативное размножение гидры
  1. Сходное химическое строение

Клетки всех живых организмов состоят преимущественно из воды и органических соединений: 

  • белков,
  • жиров, 
  • углеводов, 
  • нуклеиновых кислот. 

Поэтому в любом живом организме в очень больших концентрациях присутствуют углерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О) и фосфор (Р) — компоненты органических веществ. Такие элементы называются органогенами: они незаменимы и есть в каждой живой клетке без исключения.

Помимо органогенов, в клетке имеются макро- и микроэлементы — неорганические вещества. Их присутствие тоже очень важно для нормального протекания процессов жизнедеятельности. Отличаются эти соединения процентным содержанием — концентрацией.

ГруппаПримерыКонцентрация, %
МакроэлементыO, C, H, N, P (органогены)
Ca, K, Si, Mg, S, Na, Cl, Fe		98 — 99
1 — 2
МикроэлементыMn, Co, Zn, Cu, B, I, F, Mo0,1
УльтрамикроэлементыSe, U, Hg, Ra, Ag, Auменьше 0,01

Уровни организации жизни

Уровни организации жизни выделяются для того, чтобы понимать, в рамках какой ступени развития исследователь изучает живой объект.  

К примеру, ученые-генетики изучают молекулярный уровень организации жизни, а экологи — популяционно-видовой и экосистемный (иногда затрагивая биосферный). 

Как выучить уровни организации жизни с помощью матрешки?

Уровни организации живого можно наглядно представить в виде матрешки: каждый небольшой уровень входит в состав более крупного. Например, молекулярный уровень находится внутри клеточного, клеточный — внутри органно-тканевого и так далее

Различают следующие уровни организации жизни:

  1. Молекулярный уровень 

Молекулярный уровень представляет собой совокупность взаимодействующих молекул органических веществ. На этом уровне происходят такие процессы, как окисление углеводов, репликация ДНК.

Репликация ДНК
  1. Органоидный, или субклеточный уровень 

Он включает в себя отдельную органеллу клетки и процессы, происходящие в ней. Например, формирование ламелл из тилакоидов в хлоропласте, синтез субъединиц рибосомы в ядре.

Строение хлоропласта
  1. Клеточный уровень 

Клеточный уровень состоит из одной клетки. У одноклеточных организмов он совпадает с организменным, так как в этом случае весь организм состоит из одной клетки. 

К примерам клеточного уровня организации относятся нейрон и эритроцит человека, клетка паренхимы картофеля. 

Клеточный уровень у амёбы совпадает с организменным
  1. Органно-тканевый уровень

В многоклеточном организме клетки дифференцируются (становятся разными по строению и функциям) и объединяются в ткани и органы. 

На этом уровне происходит всасывание продуктов обмена жиров в лимфу в кишечнике, функционирование сердечных клапанов и многие другие процессы.

  1. Организменный уровень 

Организменный уровень включает в себя целостный организм.  

Примеры процессов, происходящих в организме: переваривание пищи, рефлекс. Такие процессы охватывают несколько органов или систем.

  1. Популяционно-видовой уровень 

Популяция — группа особей одного вида, населяющих одну территорию.

На популяционно-видовом уровне мы можем наблюдать внутривидовую конкуренцию сосен в лесу, увеличение численности прудовых лягушек в водоёме.

  1. Экосистемный, или биогеоценотический уровень

Взаимодействия разных популяций между собой рассматривает экосистемный (или биогеоценотический) уровень организации жизни. 

На данном уровне мы можем наблюдать межвидовую конкуренцию сосен и ёлок в заповеднике, взаимоотношения прудовой и озёрной лягушки в пруду, особенности охоты группы волков на мелких грызунов.

  1. Биосферный уровень

Биосфера — живая оболочка Земли.  

Она объединяет все существующие на планете экосистемы и рассматривает их взаимодействие. 

К процессам, происходящим на биосферном уровне, относятся круговорот азота в природе, разрушение озонового слоя, глобальное потепление, таяние ледников.

Круговорот азота в природе (Январь КЗ №7, стр. 3)

Фактчек
  • Биология — это наука о жизни, которая рассматривает тонкости существования живого во всех его проявлениях. 
  • Для того, чтобы отличить живой организм от неживого, нужно применить к нему критерии жизни.
  • К свойствам живого относятся: обмен веществ, дискретность и целостность, открытость, раздражимость, наследственность и изменчивость, размножение.
  • Выделяют молекулярный, клеточный, органно-тканевый, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный уровни организации живого.

Проверь себя

Задание 1.
Какое свойство живого иллюстрирует положительный хемотаксис амёбы к питательному субстрату?

  1. раздражимость
  2. развитие
  3. дискретность
  4. целостность

Задание 2.
Хлорелла — одноклеточная водоросль. Организменный уровень организации жизни у неё совпадает с…

  1. субклеточным
  2. молекулярным
  3. клеточным
  4. органно-тканевым

Задание 3.
Выберите верное окончание предложения. Все организмы дискретны, то есть…

  1. состоят из дифференцированных клеток
  2. наследуют признаки родительских особей
  3. размножаются
  4. состоят из структурных единиц

Задание 4.
Какое свойство живого проявляется при дыхании человека? 

  1. обмен веществ
  2. раздражимость
  3. размножение
  4. наследственность

Задание 5. 
На каком уровне организации жизни происходит межвидовая конкуренция зайца-русака и белки в лесу? 

  1. организменный
  2. популяционно-видовой
  3. экосистемный
  4. биосферный

Ответы: 1 — 1; 2 — 3; 3 — 4; 4 — 1; 5 — 3.

27. Дискретность и целостность. Живые существа

Дискретность — всеобщее свойство материи. Так, из курса физики и общей химии известно, что каждый атом состоит из элементарных частиц, что атомы образуют моле­кулу. Простые молекулы входят в состав сложных соедине­ний или кристаллов и т. д. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдель­ных изолированных, т. е. обособленных или ограниченных в пространстве, но, тем не менее, тесно связанных и взаимо­действующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Энергетиче­ский аппарат клетки представлен отдельными митохондрия­ми, аппарат синтеза белка — рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь, будучи пространственно изолированной, от других. Процессы в самоорганизующихся системах сопровождаются рассеиванием энергии, в связи, с чем их называют диссипативными.

Важная черта диссипативных систем — целостность. Она прояв­ляется в том, что поведение элементов в этих системах определяется в большей мере структурой самой системы и в меньшей — их собст­венными свойствами. В своем развитии системы проходят ряд устой­чивых состояний, разделенных периодами неустойчивости, с которыми связано возникновение новой информации.

Биологию подразделяют на отдельные науки по предме­ту изучения. Так, микробиология изучает мир бактерий; ботаника исследует строение и жизнедеятельность представителей царства растений; зоология — царства животных и т. д. Вме­сте с тем развиваются области биологии, изучающие общие свойства живых организмов: генетика — закономерности наследования признаков, биохимия — пути превращения органических молекул, экология — взаимоотношения попу­ляций с окружающей средой. Функции живых организмов изучает физиология. В соответствии с уровнем организации живой материи выделились такие научные дисциплины, как молекулярная биология, цитология — учение о клетке, гистология — уче­ние о тканях и т. д. Биология использует самые различные методы. Один из важнейших — исторический, служащий основой осмысле­ния получаемых фактов. К традиционным относится описа­тельный метод; широко используются инструментальные методы: микроскопия (светооптическая и электронная), электрография, радиолокация и др. В самых различных областях биологии все больше воз­растает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с другими науками — физикой, химией, матема­тикой, кибернетикой и др. Так возникли биофизика, биохимия, бионика. Изучение закономерностей, процессов и механизмов индивидуаль­ного развития организмов, наследственности и изменчивости, хране­ния, передачи и использования биологической информации, обеспечения жизненных процессов энергией является основой для выделения эмбриологии, биологии развития, генетики, молекулярной биологии и биоэнергетики. Исследования строения, функциональных отправлений, поведения, взаимоотношений организмов со средой обитания, исторического развития живой природы привели к обособ­лению таких дисциплин, как морфология, физиология, этология, экология, эволюционное учение.

Интерес к проблемам старения, вызванный увеличением средней продолжительности жизни людей, стимулировал развитие возрастной биологии (геронтологии).

Невидимый водяной знак видео для обеспечения целостности и безопасности данных на основе дискретного вейвлет-преобразования — обзор Нитина А. Дхаваса, доктора Самбхаджи А. Патила :: SSRN

Скачать эту статью

Открыть PDF в браузере

Добавить бумагу в мою библиотеку

Делиться: