Клеточный уровень организации.

Представлен свободно живущими клетками, входящими в многоклеточные организмы.

Основные процессы уровня:

-биосинтез;

- фотосинтез;

- деление клеток;

-регуляция химических реакций;

- вовлечение иноземных химических элементов в биосистемы.

Клетка - элементарная структурная, функциональная и генетическая единица многоклеточного организма. В теле человека насчитывают приблизительно 1014 клеток. Клетки сложного организма специализированы. Каждая клетка имеет клеточную мембрану, цитоплазму и ядро. Мембрана ограничивает внутреннюю среду клетки, защищает ее от повреждений, регулирует обмен веществ между клеткой и средой, обеспечивает взаимосвязь с другими клетками. Цитоплазма - внутренняя полужидкая среда клетки, в которой находятся органоиды клетки, в том числе и ядро, которое выполняет функции хранения и передачи наследственной информации, регуляции синтеза белка; деление ядра лежит в основе размножения клеток.

КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ
Основные составляющие, которые определяют пространственную (с труктурную) упорядоченность	Основные процессы, которые определяют временную (функциональную) упорядоченность
1. Поверхностный аппарат 2. Цитоплазма 3. Ядро (нуклеоид)	1. Процессы преобразования веществ 2. Процессы преобразования энергии 3. Процессы преобразования наследственной информации

Клетка является биологической системой с характерными особенностями структуры, функций и свойств.

Структурная организация.

Клетка является основной структурной единицей для колониальных и многоклеточных организмов, а у одноклеточных существ она является одновременно и самостоятельным целостным организмом. Основными структурными частями клетки являются поверхностный аппарат, цитоплазма и ядро (нуклеоид в прокариотических организмах), построенные по определенным подсистем и элементов, которыми являются органеллы. Существуют два типа организации клеток - прокариотических и эукариотический. Базовым уровнем организации для клеток является молекулярный уровень.

Функциональная организация.

Чтобы выжить, клетке необходимо:

а) получать энергию из окружающей пищи и трансформировать в нужную ей форму;

б) избирательно пропускать, перемещать и выводить вещества;

в) хранить, реализовывать и передавать генетическую информацию следующему поколению;

г) постоянно поддерживать химические реакции, необходимые для поддержания внутреннего равновесия;

д) распознавать сигналы среды и определенным образом реагировать на них; е) образовывать новые молекулы и структуры взамен тем, срок жизни которых истек.

 

Каждая живая клетка представляет собой систему, которая превращает вещества, энергию и информацию, которые поступают к ней, и таким образом обеспечивает процессы жизнедеятельности организма. Клетка является функциональной единицей для осуществления таких функций, как опора, движение, питание, дыхание, кровообращение, выделения, размножения, движение, регуляция процессов и тому подобное. Клетки одноклеточных организмов выполняют все эти жизненные функции, а большинство клеток многоклеточного организма специализированные на выполнении одной главной жизненной функции. Но в обоих случаях любая функция клетки является следствием согласованной работы всех ее компонентов. Организация и функционирование всех компонентов клетки связаны прежде всего с биологическими мембранами. Внешние взаимосвязи между клетками поддерживаются путем выделения химических веществ и установления контактов, внутренние взаимосвязи между элементами клетки обеспечиваются гиалоплазмы.

Свойства.

Клетка является элементарной биосистемой, поскольку именно на уровне клеток проявляются все свойства жизни. Основными свойствами клетки являются открытость, обмен веществ, иерархичность, целостность, саморегуляция, самообновления, самовоспроизведения, ритмичность и др. Определяются эти свойства структурно-функциональной организацией биомембран, цитоплазмы и ядра.

Науки, проводящие исследования на этом уровне: генная инженерия, цитогенетика, цитология, эмбриология.

 

3. Тканевой уровень организации.

Формируется при объединении клеток одного или нескольких типов выполняющих одну или несколько функций.

Структурно-функциональная единица - ткань.

Основные процессы уровня - дифференциация клеток и тканей, регуляция жизнедеятельности .

Ткани - это группы клеток и межклеточного вещества, объединенные общим строением, функцией и происхождением. Различают четыре основные группы тканей: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная.

1.Эпителиальная (пограничная) ткань находится на поверхностях, граничащих с внешней средой, и выстилает изнутри стенки полых органов, кровеносных сосудов, входит в состав желез организма. Эпителий обладает высокой способностью к восстановлению (регенерации), служит материалом для волос, ногтей, эмали зубов.

2. Соединительные ткани (ткани внутренней среды) выполняют питательную, транспортную и защитную (кровь, лимфа), а также опорную (сухожилия, хрящи, костная ткань) функции. Разновидностью соединительной ткани является жировая ткань.

3. Мышечная ткань делится на три вида:

- поперечнополосатую (скелетные мышцы, мышцы языка, глотки, гортани);

- гладкую (образует стенки внутренних органов);

- сердечную (как и скелетная, она имеет поперечнополосатое строение, но подобно гладкой мускулатуре сокращается непроизвольно).

4. Нервная ткань, состоящая из нервных клеток (нейронов), участвует в проведении нервного импульса от различных органов и тканей в центральную нервную систему и обратно[5], то есть нервная ткань обеспечивает восприятие раздражений из внешней и внутренней среды организма, проведение нервных импульсов в центральную нервную систему (ЦНС), где в ее высших отделах происходит анализ и синтез полученной информации, и осуществление быстрых ответных адаптивных реакций. Нервная система регулирует деятельность отдельных органов и организма в целом.

Слои ткани, которые покрывают, выстилают и разделяют внутренние органы, называются оболочками. В организме человека различают следующие основные типы оболочек:

1. Слизистые оболочки обычно выстилают внутреннюю поверхность полых органов. Они включают три слоя тканей: эпителиальную (с секреторными клетками, выделяющими слизь), рыхлую соединительную с железами и лимфоидными образованиями и гладкую мышечную.

2. Синовиальные оболочки покрывают поверхности суставов и сухожилий. Они образованы соединительной тканью и выстланы эндотелием.

3. Серозные оболочки окружают наружную поверхность всех внутренних органов. Они образованы соединительно тканной мембраной, покрытой эпителиальным слоем.

4. Мозговые оболочки (твердая, паутинная, мягкая) покрывают головной и спинной мозг. Они образованы соединительной тканью.

 

 

4. Органный уровень организации.

Представлен сложными образованиями, выполняющими определенные функции.

Структурно-функциональная единица – орган.

Различные ткани, соединяясь между собой, образуют органы: сердце, почки, легкие, головной мозг, спинной мозг, мышца, мочевой пузырь, матка, грудная железа, желудок, глаз, ухо и т.д. Орган занимает постоянное положение, имеет определенное строение, форму и функции. Органы, сходные по своему строению, функции и развитию, объединяются в системы органов.

Системный уровень организации делится на:

А)Аппараты органов:

- группы органов, объединенных только функционально (опорно-двигательный, мочеполовой, эндокринный, речевой) или на основные структурно-функциональные блоки организма как саморегулирующейся системы;

- чувствительные окончания - рецепторы, несущие информацию о состоянии внешней и внутренней среды;

- нервной и гуморальной регуляция – механизмы обработки информации и управления системой;

- эффекторные (исполнительные) органы;

- «энергетический блок» - обеспечение структур системы энергией, необходимой для осуществления происходящих процессов;

- «гомеостатический блок» - контроль за постоянством внутренней среды;

- оболочка, отграничивающая, защищающая организм и служащая для обмена энергией и информацией со средой.

Так же важную роль играют системы управления клетками - заводами жизни. Клетки различных органов и тканей обладают и специфическими функциями. Органы управления клетки - ДНК, состоящие из нуклеотидов, последовательностью которых кодируется генетическая информация, и рибосомы, осуществляют информационно-аналитическую функцию. Внутриклеточная деятельность сводится к многочисленным химическим реакциям, каждая из которых протекает под действием своего фермента. Ген-участок ДНК, кодирующий определенный белок. Белки синтезируются, «печатаются» в рибосомах по матрицам - РНК, которые получаются путем кодирования гена с ДНК.

«Обеспечивающие рабочие органы» производят энергию в виде молекул АТФ. С помощью АТФ клетка движется, вырабатывает тепло, осуществляется активный транспорт, синтезирует новые белковые молекулы и осуществляет многое другое. АТФ занимает центральное положение в экономике живого.

«Специфические рабочие органы» осуществляют «главную» деятельность клетки, служащую нуждам целостного, дискретного организма в форме целого набора физико-химических процессов.

«Входы» и «выходы» определенных молекул и ионов через плазматическую мембрану осуществляют связь с внешней средой. Обмен через мембрану регулируется диффузией, осмотическими и электрическими градиентами, активными механизмами переноса (ионными насосами) и перемещениями мембранных структур, как например, при пиноцитозе и фагоцитозе.

Обратная связь на молекулярном уровне обусловлена «связями» между элементами внутри клетки. По теории Жакоба и Моно, в ДНК, кроме структурных генов, несущих информацию о процессах биосинтеза, есть гены-операторы и гены-регуляторы. Последние кодируют синтез специфического вещества - репрессора, который присоединяется к гену- оператору и может регулировать работу структурного гена, отвечающего за синтез белка, вплоть до прекращения синтеза. Но, если в клетку попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-оператор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит матрицей для производства белка. После того как вещество - индуктор израсходуется, репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, связывается вновь с геном-оператором - и цикл повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне. Существуют и другие виды «связи» между элементами внутри клетки.

Б) Системы органов.

Это совокупности органов, участвующих в выполнении какого-либо сложного акта деятельности, образующих анатомические и функциональные объединения - системы органов. Различают девять основных систем организма:

1. Система органов движения или опорно-двигательный аппарат объединяет все кости (скелет), их соединения (суставы, связки) и скелетные мышцы. Благодаря этой системе организм передвигается во внешней среде; кости скелета защищают внутренние органы от механических повреждений (череп - защищает мозг, грудная клетка - сердце и легкие).[4]

2. Пищеварительная система объединяет органы, выполняющие функции приема пищи, ее механической и химической переработки, всасывания питательных веществ в кровь и лимфу и выведения не переваренных частей пищи. Пищеварительная система состоит из ротовой полости, глотки, пищевода, желудка, тонкого и толстого кишечника. К пищеварительной системе относятся слюнные железы, печень и поджелудочная железа.

3. Дыхательная система осуществляет потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа, т.е. функцию газообмена между организмом и внешней средой. К системе органов дыхания относятся носовая полость, гортань, трахея, бронхи и легкие.

4. Мочевыделительная система выполняет функцию выделения из организма конечных продуктов обмена и функцию поддержания постоянства внутренней среды организма (гомеостаза), в частности водно-солевого баланса. К мочевыделительной системе относятся почки, мочевой пузырь, мочеточники и мочеиспускательный канал.

5. Половая система объединяет органы размножения и выполняет функцию продления рода человеческого. Различают мужскую и женскую половые системы, которые включают наружные и внутренние половые органы (гонады).

К мужским половым органам относятся наружные (половой член, мошонка) и внутренние (яички с придатками, семявыносящие и семявыбрасывающие протоки, семенные пузырьки, предстательная и куперовы железы). Яички - парные мужские половые железы, вырабатывающие мужские половые клетки (сперматозоиды) и выделяющие в кровь мужские половые гормоны - андрогены. Процесс роста и развития мужских половых клеток называется сперматогенезом.

К женским половым органам относятся наружные (большие и малые половые губы, клитор) и внутренние (яичники, маточные трубы, матка, влагалище). Матка полый мышечный орган, предназначенный для вынашивания плода. Ее внутренний слой (эндометрий) выстлан слизистым эпителием, который обновляется в каждом менструальном цикле. Яичник - парная женская половая железа, в которой происходит развитие и созревание женских половых клеток (яйцеклеток), а также образование женских половых гормонов - эстрогенов и прогестерона. Процесс выхода созревшей яйцеклетки из яичника называется овуляцией. [5]

6. Эндокринная система состоит из желез внутренней секреции, к которым относятся гипофиз, эпифиз, вилочковая железа, щитовидная, поджелудочная, паращитовидная, половые железы, надпочечники. Они вырабатывают особые активные вещества (гормоны), которые непосредственно всасываются в кровь. Гормоны разносятся кровью по всему организму и оказывают регулирующее влияние на различные функции, прежде всего на обмен веществ, активность генов, процессы онтогенетического развития, дифференцировку тканей, формирование пола, размножение, тонус коры головного мозга и т.д.

То есть в эндокринной системе управления в качестве каналов передачи информации выступают гормоны, секреция которых реализуется по принципу отрицательной обратной связи.

7. Сердечнососудистая система (ССС) обеспечивает непрерывное движение крови в организме (кровообращение), благодаря чему осуществляются транспортные функции крови: доставка тканям кислорода, питательных веществ и гормонов и удаление из тканей веществ, образующихся в результате процессов обмена. ССС включает сердце, кровеносные (артерии, вены и капилляры) и лимфатические сосуды. ССС играет важную роль в интеграции организма в единое целое. Через кровь и лимфу осуществляется связь между органами.

8. Система органов чувств объединяет органы зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания. Они воспринимают информацию внешней среды, играют важную роль в обмене информацией между организмом и средой.

9. Нервная система играет ведущую роль в объединении организма в единое целое, регулирует деятельность всех внутренних органов и систем органов. Она осуществляет связь организма с окружающей внешней средой на основе условных и безусловных рефлексов, обеспечивая приспособление к изменяющимся условиям жизни, а также осуществляет психическую деятельность человека, возникающую на основе физиологических процессов ощущения, восприятия и мышления. [6].

В нервной системе управления в качестве каналов передачи информации выступают нейроны и особая роль в управлении принадлежит безусловным и условным рефлексам. Безусловные рефлексы наследуются потомством от родителей и сохраняются в течении всей жизни. Безусловными рефлексами названы рефлексы, возникающие в ответ на действие жизненно важных раздражителей, например пищи или повреждения. Известны пищевые, оборонительные, половые и ориентировочные рефлексы. Благодаря безусловным рефлексам сохраняется целостность организма, поддерживается постоянство внутренней среды и происходит размножение. Рефлексы, приобретаемые организмом в течение жизни и образующиеся в результате сочетания безразличных раздражителей с безусловными, И.П. Павлов назвал условными рефлексами. С помощью образования условных рефлексов и их торможения осуществляется более гибкое приспособление организма к конкретным условиям существования.

Нервная система включает головной и спинной мозг, отходящие от них нервы и все их разветвления. Головной и спинной мозг образуют центральную нервную систему (ЦНС). Высшим отделом ЦНС является кора головного мозга. Все нервы, отходящие от головного и спинного мозга, составляют периферическую нервную систему. Деятельность спинного мозга и периферической нервной системы регулируется вышележащими отделами ЦНС, т.е. головным мозгом.

Преимущество человека перед другими высшими животными закреплено в материальном носителе разума - мозге.

Головной мозг расположен в черепе. В нем находятся нервные центры, обеспечивающие важнейшие функции организма и психическую деятельность человека. Масса головного мозга мужчин в среднем составляет 1400 г, а женщин - 1300 г. Эти различия отражают не умственную способность, а соотношение массы мозга к массе тела.

Мозгом контролируются взаимодействия с окружающей средой, действия, контролирующие функции организма, а самое главное - умственная деятельность.

Выяснено, что простейшей структурной единицей мозга служит не нервная клетка (нейрон), как считалось раньше, а структурный ансамбль таких клеток со сложными, но фиксированными разветвлениями взаимосвязей.

В головном мозгу различают большие полушария и ствол мозга. В стволе мозга находятся центры дыхания, сердечной деятельности, пищеварения, рвоты, координации движений и регуляции тонуса мышц, регуляции ощущений органами чувств и т.д. Это центры безусловных рефлексов - врожденных ответных реакций организма, обеспечивающих важные жизненные функции организма: дыхание, сердцебиение, пищеварение, терморегуляция, поддержание тонуса мышц.

Большие полушария (левое и правое) состоят из серого и белого вещества. Серое вещество, состоящее из тел нервных клеток, образует кору головного мозга толщиной около 3-4 мм. Белое вещество, образованное отростками нервных клеток, расположено под корой. Между правым и левым полушариями головного мозга существует межполушарная асимметрия.(Нобелевская премия в области физиологии 1981 года была присуждена Р. Сперри за исследование межполушарной асимметрии головного мозга, т.е. различий функций двух его полушарий). На макроуровне мышления в целом намечаются две тенденции в психологическом восприятии действительности: правополушарная - интегрирующая, синтетическая, левополушарная - дифференцирующая, аналитическая. В частности, левое полушарие ответственно за речь и логическое мышление, а правое полушарие за ориентацию в пространстве и восприятие музыки и живописи), то есть это означает, что функции обоих полушарий не совсем одинаковы. Например, у правшей (людей, у которых главная действующая рука правая) центр речи находится в левом полушарии. Левое полушарие у правшей является главным нервным субстратом человеческого сознания и называется доминантным. [6.]

Лобные доли больших полушарий у человека - самые большие по площади участки коры (у животных они отсутствуют, кроме шимпанзе). Одна из функций лобной доли состоит в управлении врожденными поведенческими реакциями при помощи накопленного опыта. Для больных с пораженными лобными долями коры характерна импульсивность, несдержанность, раздражительность и другие проявления психической неустойчивости. Такие больные часто становятся грубыми, нетактичными, хотя интеллект у них сохраняется, они часто вступают в конфликт с другими людьми.

Кора головного мозга оказывает влияние на все функции организма и обеспечивает связь организма с внешней средой, обусловливая высшую нервную деятельность организма (психическую деятельность, мышление, память, речь и т.д.). В коре больших полушарий находятся центры условных рефлексов. Условные рефлексы - это приобретенные в процессе обучения знания, в течение жизни - навыки и умения. Если при повреждающих воздействиях погибают клетки коры головного мозга, то человек полностью или частично лишается знаний, умений и навыков, полученных им ранее. Такое воздействие возможно при клинической смерти, когда клетки коры головного мозга погибают от недостатка кислорода. Память имеет огромное значение в жизни человека. Можно лишь приблизительно оценить информационную емкость человеческого мозга. Общая информационная емкость головного мозга человека равна примерно 3х108 бит (бит - единица информации). Из всей информации, окружающей человека, в долговременную память поступает лишь 1%.

Отметим одно характерное обстоятельство так же задающее единое поле сознания. Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозгу программируются генетическим аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структурных ансамблей мозга человека наследуется детьми от родителей. Но наследуются не речь и не трудовые навыки как таковые, а лишь потенциальная возможность их последующего приобретения. Генетические возможности реализуются только при условии, что с раннего детства конкретный ребенок воспитывается и обучается в сообществе людей, в постоянном общении с ними. Генетический потенциал ограничен во времени жесткими возрастными рамками. Если сроки пропущены, то потенциал гаснет, а человек остается на уровне того же примата.

Эволюция мозга, его усложнение идет не столько за счет количественного роста нервных клеток (хотя такой рост имеет место), сколько за счет растущей организованности, упорядоченности как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции в сложные поведенческие решения.