Морфология растений / Бавтуто Г.А., Ерёмин В.М. Ботаника. Морфология и анатомия растений

ние на воздействия внешней среды. Поэтому к при­ знакам живых систем относятся также способность адекватно отвечать на раздражение (раздражи­ мость) и способность к движению. Приспособляе­ мость к внешней среде основана на наследственной изменчивости организмов. В процессе матричного синтеза генетических программ неизбежно возни­ кают ошибки копирования (мутации), что делает возможным отбор, которому подвергаются изме­ ненные системы. Отбор — это оптимизирующее влияние внешней среды. Он привел к образованию бесчисленных видов организмов из одного-един- ственного типа доисторической живой системы.Это фактор позитивной эволюции организмов, их эволю­ ционного изменения, при котором они все лучше приспосабливаются к внешней среде, изменяющей­ ся в ходе истории Земли.

10.Согласно первому закону термодинамики, каждый процесс в природе мог бы протекать так же легко в обратном направлении, как и в пря­ мом. В действительности природные процессы протекают «самопроизвольно» только в одном направлении, они необратимы, т. е. их нельзя за­ ставить идти в обратную сторону, не изменяя ок­ ружающую среду. В качестве меры необратимости

Р.Клаузиус в 1865 г. ввел понятие энтропия. В высокой степени необратимый процесс характе­ ризуется большим увеличением энтропии. Все процессы, самопроизвольно протекающие в при­ роде, способствуют состоянию равновесия. Это наиболее вероятное состояние с наименьшей упорядоченностью частиц. Энтропию в связи с этим рассматривают как меру неупорядоченности.

Согласно второму закону термодинамики, в природе в целом и в каждой изолированной сис­ теме энтропия всегда увеличивается, а так как энтропия характеризует степень неупорядоченно­ сти, упорядоченность всегда уменьшается. Но живые системы, расходуя энергию, постоянно устанавливают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) каждого живого организма так же, как и в процессе эво­ люционного развития (филогенеза), все время образуются новые структуры, т. е. достигается состояние более высокой упорядоченности. Это

кажущееся противоречие с законом возрастания энтропии объясняется тем, что организмы не изолированные, а открытые системы, непрерывно обменивающиеся веществом и энергией с окру­ жающей средой. Поэтому живыми называются

системы, которые способны самостоятельно под­ держивать и увеличивать свою очень высокую сте­ пень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности.

11.Происхождение всех земных существ от общего корня подтверждается сходством их самых фундаментальных особенностей. Это относится и

кструктурным признакам (например, к строению определенных молекул нуклеиновых кислот, строению клетки), и к функциональным признакам,

таким, как общность путей метаболизма или единство генетического кода.

Живые системы (в сравнении с неживыми — объектами физики) отличаются высокой струк­ турной и функциональной сложностью. Эта осо­ бенность включает все названные выше признаки и делает состояние жизни качественно новым свойством материи. Живые системы представля­ ют собой особую ступень развития (форму движе­ ния) материи. Исходя из этого, можно сказать, что для живых систем характерны наличие нук­ леиновых кислот и белков и способность синтезиро­ вать эти вещества.

Обобщая все изложенное, можно определить сущность жизни (живых организмов, систем).

Классическое определение Ф. Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является по­ стоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой...* (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т. 20. С. 616) — не потеряло, как мы убедились, рассматривая признаки живого, смысла до на­ стоящего времени.

Современное определение жизни, учитываю­ щее достижения биологии 20 в., трудно дать од­ нозначно. В общем смысле жизнь можно опреде­ лить как форму движения материи более высокого уровня, способ существования белковых тел и не­ белковых высокомолекулярных соединений типа нуклеиновых кислот, активное, идущее с затратой полученной извне энергии поддержание и самовос­ произведение специфической структуры.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ

История развития всех биологических наук убедительно доказывает, что продвижение биоло­ гического познания вперед определяется метода­ ми исследований. На протяжении всей истории биологии можно выделить четыре основных ме­ тода: описательный, сравнительный, историче­ ский и экспериментальный.

Самый «старый» — описательный метод. Его начали использовать с первых шагов изучения живых организмов. Описать организмы — значит перечислить признаки, характерные для индиви­ дуального организма, а также для групп живых организмов.

Со временем этот метод стали применять и для описания видов. В течение длительного вре­ мени описательный метод был единственным в познании живой природы, однако он не позволял заглянуть в глубь явлений. По этой причине био­ логия в те времена имела характер описательной науки. Ф. Энгельс, характеризуя в «Диалектике природы» состояние знаний о живых организмах до 18 в., отмечал, что в тот период «...в области биологии занимались главным образом еще на­ коплением и первоначальной систематизацией огромного материала, как ботанического и зооло­ гического, так и анатомического и собственно физиологического. О сравнении между собой форм жизни, об изучении их географического распространения, их климатологических и тому подобных условий существования почти еще не

Совершенствование экспериментального ме­ тода сопровождалось совершенствованием подхо­ да к изучению явлений жизни. Наряду с модели­ рованием (изучение объекта в заданных условиях) на уровне организмов, сложившимся в 19 в., воз­ никло и развивается моделирование на молекуляр­ ном и клеточном уровне.

Все это определило новые подходы к изуче­ нию явлений жизни. Оценивая методологию изу­ чения природы в 15—19 вв., Ф. Энгельс отмечал, что «разложение природы на ее отдельные части, разделение различных процессов и предметов природы на определенные классы, исследование внутреннего строения органических тел по их многообразным анатомическим формам — все это было основным условием тех исполинских ус­ пехов, которые были достигнуты в области по­ знания природы за последние четыреста лет* (Маркс К, Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т. 19. С. 203).

Методология «разделения», расчленения цело­ го организма на части перешла в 20 в. и в значи­ тельной степени использовалась современными исследователями.

Однако по мере совершенствования экспери­ ментального метода, а также повышения уровня теоретического мышления при анализе получае­ мых опытным путем данных в подходах к изуче­ нию жизни произошли серьезные изменения.

В биологии наших дней действует важнейший методологический принцип, получивший назва­ ние системно-структурного подхода к познанию организации и функции живых организмов. Сущность этого подхода заключается в последо­ вательном расчленении живых систем на уровни организации, изучении вычлененных уровней, а затем в интеграции (лат. integer — цельный, це­ лый) полученных данных в целях их синтеза.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

Совершенствование методов исследований и структурно-функциональный подход к изучению яалении жизни позволили расчленить организа­ цию живого на ряд уровней. Различают молеку­ лярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционный, видовой, биоценотический и глобальный (биосферный) уровни организации живого.

Представления об этих уровнях организации основываются на сведениях как о структуре, так и о функциях, приуроченных к определенной структуре того или иного уровня. Каждому из этих уровней присущи и собственные, специфи­ ческие особенности, и признаки, характерные для других уровней. На всех уровнях организации проявляются свойства, присущие живому.

Молекулярный уровень (глубинный). В органи­ зации живого представлен молекулами нуклеино­ вых кислот, белков, углеводов, липидов и стерои­ дов, находящихся в клетке и получивших назва­ ние биологических молекул. На этом уровне начинаются важнейшие процессы жизнедеятель­ ности — кодирование и передача наследственной

информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.

Вычленение молекулярного уровня в органи­ зации живого произошло в 40-е годы 20 в., когда в биологические исследования начали внедрять высокоразрешающую электронную микроскопию с техникой ультратонких срезов, дифференциаль­ ное центрифугирование с химическим анализом выделяемых компонентов. Эти методы позволили разделить клетку на составные компоненты и изучить их важнейшие свойства. В то же время для решения узловых вопросов биологии все ча­ ще стали использовать простые организмы (ви­ русы, бактерии), что способствовало резкому по­ вышению возможностей генетического анализа — основного метода в исследованиях генетических структур. Благодаря комплексу биологических и физико-химических методов, использованию ин­ формации, полученной в результате физических, химических и других исследований, на молеку­ лярном уровне стали изучать как частные во­ просы, так и общебиологические закономерно­ сти.

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфич­ ностью биологических молекул. Например, спе­ цифичность нуклеиновых кислот состоит в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белка, которая при делении передается от клетки к клетке, от организма к организму. При синтезе белков на рибосомах специфическая роль принадлежит иРНК, которая служит специ­ фическим шаблоном для формирования полипеп­ тидных цепей на рибосомах, и тРНК, которая присоединяет к себе аминокислоты, а затем рас­ пределяет их вдоль молекулы иРНК в последова­ тельности, соответствующей специфической по­ следовательности триплетов азотистых оснований в иРНК.

Специфичность белков определяется специфи­ ческой последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность придает бел­ кам их специфические свойства. Молекулы бел­ ков — основной плотный материал клеток, ос­ новные структурные элементы, катализаторы и регуляторы реакций.

Специфичность углеводов и липидов заключает­ ся в том, что они являются важнейшими источ­ никами энергии, тогда как стероиды регулируют ряд процессов жизнедеятельности.

В процессы, протекающие в клетках организ­ мов одного или разных видов, вовлечены одина­ ковые макромолекулы. Эти процессы, как прави­ ло, осуществляются на одних и тех же этапах ме­ таболизма. Например, биосинтез нуклеиновых кислот, аминокислот и белков у всех живых ор­ ганизмов протекает однотипно. Универсальность присуща и таким важным биохимическим реак­ циям, как окисление жирных кислот, гликолиз. На молекулярном уровне осуществляется превра­ щение энергии: энергии солнца (лучистой энер­ гии) — в химическую, запасаемую в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул — в биоло­ гически доступную энергию, запасаемую в форме

макроэргических связей АТФ. Наконец здесь происходит превращение энергии макроэргиче­ ских фосфатных связей в работу — механиче­ скую, электрическую, химическую, осмотиче­ скую.

Преемственность между молекулярным и сле­ дующим за ним клеточным уровнем обеспечива­ ется тем, что биологические молекулы — это ма­ териал, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярному уровню присуща ге­ нетическая приспособленность и устойчивость молекулярных структур в поколениях. На этом уровне осуществляются химические реакции, ко­ торые обеспечивают энергией клеточный уро­ вень.

Клеточный уровень. Вычленение клеточного уровня было начато еще в 19 в. обоснованием клеточной теории. Этот уровень организации жи­ вого представлен клетками многоклеточных орга­ низмов, а также клетками, действующими в каче­ стве самостоятельных организмов (бактерии, про­ стейшие и др.). С этого уровня начинается жизнь, так как возникающий на молекулярном уровне матричный синтез осуществляется в клетках. Способные к росту и размножению клетки явля­ ются основной формой организации живой мате­ рии, элементарными единицами, из которых по­ строены все живые существа — прокариоты и эукариоты. Между клетками растений и живот­ ных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органоидов. Заметные различия в строении наблюдаются ме­ жду клетками прокариот и эукариот. Но в функ­ циональном плане эти различия сглаживаются, так как везде действует правило «клетка от клет­ ки».

Специфичность клеточного уровня определя­ ется специализацией клеток и существованием их в качестве специализированных единиц много­ клеточного организма. В то же время на клеточ­ ном уровне происходит разграничение и упоря­ дочение процессов жизнедеятельности в про­ странстве и во времени, что связано с приуро­ ченностью функций к различным субклеточным структурам. Например, у клеток эукариот значи­ тельное развитие получили мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, комплекс Гольджи) и клеточные органоиды (ядро, хромосомы, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы). Мембранные структуры — это своеобразные площадки, где осуществляются важнейшие жизненные процессы. Площадь, заня­ тая мембранами, значительная в связи с их мно­ гочисленностью в клетке и строением. Кроме то­ го, мембранные структуры пространственно раз­ деляют в клетках многие биологические молекулы, а их физическое состояние обеспечи­ вает постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Таким образом, мембраны — это систе­ мы, компоненты которых находятся в движении. Для них характерны различные перестройки, что определяет раздражимость клеток — важнейшее свойство живого.

Тканевый уровень. Представлен различными тканями, объединяющими клетки определенного строения, размеров, расположения и сходных функций. Ткани возникли в ходе исторического развития вместе с многоклеточностыо. У много­ клеточных организмов они образуются в процессе онтогенеза как следствие дифференциации (лат. differentia — различие; превращение однородной массы клеток в клетки различных тканей) клеток. Хотя механизм объединения клеток в ткани еще не выяснен, наличие тканей позволяет считать, что на этом уровне происходит специализация клеток.

Органный уровень. Представлен органами рас­ тений и животных, которые формируются за счет специализированных тканей.

У простейших пищеварение, дыхание, выде­ ление, движение и размножение осуществляются благодаря различным органоидам. У более совер­ шенных организмов имеются системы органов.

Организменный уровень. Представлен однокле­ точными и многоклеточными организмами. Фак­ тически его выделение осуществил Ч. Дарвин, поскольку при обосновании теории эволюции он использовал сведения об организмах и видах. Биологи прежних лет считали организм элемен­ тарной единицей организации, они изучали рас­ тения и животных в целом. Специфика организменного уровня в том, что на этом уровне проис­ ходят декодирование и реализация генетической информации, создание структурных и функциональ­ ных особенностей, присущих организмам данного вида.

Популяционный уровень. Открыт в 20-е годы нашего столетия, когда С. С. Четвериков (1880— 1959) показал, что процессы эволюции начина­ ются в популяциях (лат. p6pulus — народ, населе­ ние; сформировавшаяся в процессе отбора сово­ купность особей данного вида, населяющих оп­ ределенное местообитание) организмов. Следо­ вательно, этот уровень представлен популяциями с определенным генофондом. В пределах одного и того же вида может насчитываться от одной до многих тысяч популяций. Популяция — это эле­ ментарная единица эволюции. В ней происходят элементарные эволюционные преобразования, выработка новой адаптивной формы.

Видовой уровень. Определяется видами расте­ ний и животных. В настоящее время насчитыва­ ется около 500 000 видов растений и 1,5 млн ви­ дов животных, представители которых обитают в самых различных местах и занимают различные экологические ниши. Вычленение данного уровня основывается на научных разработках В. И. Вернадского (1863-1945) и В. Н. Сукачева (1880—1967). Представлен биоценозами (греч. bi­ os — жизнь и koinos — общий, новый) — сообще­ ствами растений и животных определенного аре­ ала, сохраняющими численное равновесие пока внешние условия остаются неизмененными. В хо­ де исторического развития сложились биогеоце­ нозы (греч. био, ge — земля и ценоз) — экоси­ стемы, в которые входят взаимозависимые сооб­ щества организмов и абиотические факторы окру­ жающей среды. Одни из них выполняют роль