Структура и иерархия объектов неживой и живой природы

Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия. 

Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы Н. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный. Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления. 

Элементарная единица — это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном — клетка, на организменном — особь, на популяционном — совокупность особей одного вида — популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса. 

2.1. Особенности биологического уровня организации материи. 
Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, имеющих свои особенности организации и индивидуальные свойства.

Учитывая уровень организации, можно выделить иерархию структур организации объектов живой и неживой природы. Подобная иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается организациями живых организмов и сообществами – высшими формами организации.

На разную степень организации живой материи указывали ученые разных времен. Так, в прошлом веке, М. Шлейден – немецкий ботаник - утверждал, что существует различный порядок организованности живых тел. Э. Геккель – немецкий биолог-эволюционист - выдвинул гипотезу о неоднородности протоплазмы клетки. По его мнению, она состоит из субмикроскопических частей. Таким образом, в биологии, как и в физике, химии, утверждалась идея дискретности живой материи, делимости ее на составные части более низкой организации. С усложнением знаний перед биологами с особой силой встал вопрос о том, от каких структур зависят специфические свойства живых организмов? Попытка решить эту задачу вызвала продолжение исследований и желание проникнуть в глубь клетки и клеточных структур. 

В биологии живые организмы представлены тремя уровнями структур: 
1. Молекулярно-генетический уровень биологических структур. 
По мере раскрытия внутреннего мира клетки был уточнен состав белков. Белки построены из 20 аминокислот, соединенных длинными полипептидными цепями. Для человека совершенно необходимы 9 аминокислот, остальные, вероятно, вырабатываются самим организмом. Отличительная особенность аминокислот, содержащихся в любом живом организме (от человеческого до вируса), состоит в том, что они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами. Это явление впервые открыл Л. Пастер. Исследуя вещества биологического происхождения, он установил способность этих веществ отклонять поляризованный луч и их оптическую активность. Поэтому, вещества биологического происхождения получили название оптические изомеры. Неорганические вещества построены симметрично и не обладают оптической активностью. Впоследствии Л. Пастер заявил, что молекулярная асимметричность является важнейшим свойством всей живой материи. Долгое время внимание ученых было сосредоточено на изучении клеточной структуры, образованной из белков, так как предполагалось, что они составляют фундаментальную основу жизни. Исследования показали, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего особенного в химическом отношении. Свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков оказалось невозможным. Более плодотворным стал путь, направленный на изучение механизмов воспроизводства и наследственности. В ходе него учеными было выделено из состава ядра клетки вещество, богатое фосфором и обладавшее свойствами кислоты. Это вещество получило название - нуклеиновая кислота. Был выделен и углеводный компонент этих кислот, в одном из них оказалась D – дезоксирибоза, в другом – D – рибоза. Эти кислоты стали соответственно называть дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая или ДНК и РНК. Лишь через век была раскрыта роль этих кислот в механизме хранения и передачи наследственности. Сначала, в 1944г., было установлено, что ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. В1953г. Д. Уотсон и Ф. Крик экспериментально подтвердили гипотезу о строении ДНК как материального носителя информации. В 1960-е годы была решена проблема генной активности. Французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разделили все гены по функциональной активности на регуляторные (кодирующие структуру регуляторного белка) и структурные (кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов). Как происходит передача информации от ДНК к морфологическим структурам? Наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность 4 оснований - двух пуриновых и двух пиримидиновых. При этом в белках содержится 20 аминокислот. Встал вопрос о переводе 4 - буквенной записи структуры ДНК в 20 - буквенную запись аминокислот. Физиком Г. Гамовым была предложена гипотеза объяснения перевода, которая впоследствии была экспериментально подтверждена. Раскрытие многих сторон молекулярного строения живого вещества повлияло на представление об изменчивости. Согласно современным взглядам, источником изменений и отбора являются мутации на молекулярно-генетическом уровне.

2.2. Онтогенетический уровень живых систем.

Онтогенетический уровень организации живых систем представляет собой три линии развития живого мира: 

1)прокариоты, или эубактерии  – клетки, лишенные ядер;

2)эукариоты – клетки, содержащие ядра и появившиеся  позже прокариотов;

3) архебактерии – клетки, сходные с прокариотами и эукариотами.

Термин “онтогенез” был введен в науку немецким биологом Э. Геккелем, автором биогенетического закона, согласно которому онтогенез, или жизнь отдельного организма, в краткой форме повторяет филогенез – историю развития рода.

Предполагают, что все три линии развития живого мира исходят из единой первичной живой системы – протоклетки, обладавшей всеми основными свойствами живого организма: способностью к обмену с окружающей средой, способностью к осуществлению биохимических реакций с усвоением необходимых и удалением отработанных веществ, способностью к делению и отпочкованию. «3»

Анализ первичных живых систем на онтогенетическом уровне невозможен без освещения их функциональных особенностей жизнедеятельности и обмена веществ. В этом плане заслуживает внимание исследование трофических, т.е. пищевых, связей живых организмов. Было выделено 2 основных типа питания: автотрофный тип. К нему относятся организмы, живущие за счет усвоения углекислоты (например, бактерии) или фотосинтеза (растения); гетеротрофный тип. К нему относятся организмы, усваивающие органическую пищу.  Какой тип питания возник первым? Мнения ученых расходятся. Одни полагают, что автотрофный тип возник первым, т.к. гетеротрофные организмы могли появиться только после появления автотрофных, выступающих как пища гетеротрофных организмов. Другие отстаивают точку зрения, что в том окружении, в котором зародилась жизнь, уже содержалась пища для гетеротрофных животных. 
Первоначальная классификация живых организмов на автотрофов и гетеротрофов в дальнейшем была усложнена под влиянием выявления у различных организмов определенных способностей по синтезу веществ для роста (витаминов, гормонов и др.).

Сложный характер трофических связей организмов свидетельствует о необходимости целостного, системного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом уровне.

3. Надорганизменный уровень. На этом уровне анализируется не организм, а различные совокупности особей, их взаимосвязь и взаимодействие.

Первым надорганизменным уровнем считается популяционный уровень. На нем изучается взаимодействие и взаимосвязь между совокупностями особей одного вида, имеющих единый генофонд и занимающих единую территорию. Такие совокупности особей составляют популяцию. Термин “популяция” был введен В. Иогансеном (1857-1927) для обозначения генетически неоднородной совокупности организмов, в отличие от однородной. «5»

Современная наука трактует популяцию как целостную систему организмов, непрерывно взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой. Отсюда их способность к трансформациям, изменению ареала и развитию. Именно популяции являются элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого называется биоценоз. Он представляет собой различные системы популяций. Развитие биоценоза в большей мере зависит не от биологических факторов развития, а от абиотических факторов (климат, географическое положение и т.д.).

Третий надорганизменный уровень представляет собой совокупность биоценозов и называется биогеоценоз. В своем развитии биогеоценоз в большинстве своем зависит от земных и абиотических условий. 

Четвертый уровень возникает из объединения разнообразных биогеоценозов и называется биосфера.

Выделение данных уровней организации живых организмов наглядно представляет целостность и системность организациивсего живого

3.Неживая природа

Неживая природа, или косная материя, представлена в виде вещества и поля, которые обладают энергией. 

Она организована в несколько уровней: элементарные частицы, атомы, химические элементы, небесные тела, звёзды, галактика и Вселенная. Вещество может пребывать в одном из нескольких агрегатных состояний (например, газ, жидкость, твёрдое тело, плазма). Развитие Неживой природы привело к появлению Живой природы. 

Неживая природа существует на различных уровнях сложности. Первым из них, по современным представлениям, являются кварки, из которых состоят элементарные частицы. Далее следует уровень атомов, слагаемых из элементарных частиц, затем идут уровни: молекул, макроскопических тел, мегаобъектов, галактик, скоплений галактик, метагалактики и Вселенной. Важно отметить, что каждый последующий уровень не сводится механически к предыдущему. Например, атом не является простой механической суммой образующих его элементарных частиц, а представляет собой нечто более сложное и качественно новое по сравнению с этой суммой, и поэтому никак не сводим к ней. Вспомним, одна из характерных черт третьей, или современной научной картины мира — это антимеханициз, в силу которого не только Вселенную в целом, но и каждый отдельный ее объект нельзя рассматривать как механическую совокупность составляющих частей. «1»

В мире неживой природы действует так называемый принцип наименьшего действия. В соответствии с этим принципом система постоянно переходит от менее устойчивого к наиболее устойчивому состоянию. При этом всякое тело стремится принять такую форму, при которой оно обеспечивает минимум энергии его поверхности, совместимую с ориентирующими силами. Симметрия порождающей среды, в которой образуется тело, накладывается на симметрию тела. Получающаяся при этом форма тела сохраняет те элементы собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды. На вопрос о происхождении и эволюции неживой природы неклассическое естествознание, отвечает с помощью гипотезы Большого взрыва: Не было ни звука, ни света, ни времени, ни пространства; только она, абсолютно черная масса флуктуаций неимоверных энергий, клубилась и пульсировала во мраке, с непреодолимой силой стремясь сосредоточиться в одной единственной точке – Великой Сингулярности. И когда невообразимая плотность энергии флуктуаций в Сингулярности достигла Абсолюта, она выразила себя на мгновение в сверкнувшей во мраке капле протовещества – первожидкости, состоящей из зародышей нового мира – кварков и глюонов. И содрогнулась темная масса, жадно впитав в себя эту каплю, она мгновенно превратилась ослепительно яркую субстанцию, через которую Сингулярность выразила себя, излучая все, что составляло Суть ее. И не было больше мрака – только звучащий Свет, рождающий в себе новый Мир, Пространство и Время. И было это 15 миллиардов лет назад, из капли протовещества возникла Вселенная с мириадами Галактик, Звезд, Планет. И каждое творение Вселенной заключало в себе частицу Великой Сингулярности, которая выразила себя через свое Творение, создав Разум и Живую Материю. 
3.1. Уровни организации неживой природы

Согласно современным научным взглядам, глубинные структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня. Это прежде всего элементарные частицы. За исключением электрона, исследования которого начались еще в XIX веке, все остальные были обнаружены в XX столетии. Их свойства оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике. До открытия элементарных частиц и их взаимодействий наука разграничивала два вида материи - вещество и поле.

Еще в конце XIX-начале XX века поле определяли как непрерывную материальную среду, а вещество - как прерывное, состоящее из дискретных частиц. Однако развитие квантовой физики выявило относительность разграничительных линий между веществом и полем. Только на макроуровне, когда можно не принимать во внимание квантовые свойства полей, их можно считать непрерывными средами. Но на микроуровне поля предстают как состоящие из квантов, которые можно рассматривать в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными, и волновыми характеристиками. Например, электромагнитное поле можно представить как систему фотонов, а гравитационное поле - как систему гравитонов - гипотетических частиц, которые предсказывает квантовая теория. В то же время и частицы вещества - электроны и позитроны, мезоны и другие - уже в целом ряде задач физика рассматривает как кванты соответствующих полей (электронно-позитронного, мезонного и т.п.). 
Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимодействия - сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Только два последних типа взаимодействий проявляют себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому им подчинены процессы не только микромира, но и макротел, планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только для процессов микромира. Одним из самых удивительных открытий последней трети XX века было обнаружение того, что электромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой стороны, различные проявления единой сущности - электрослабого взаимодействия. «7»

Элементарные частицы можно классифицировать по типам взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы - протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (от греч. leptos - легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электрослабых и гравитационных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы друг от друга нуклоны - нейтроны и протоны, все П-мезоны (Пи-мезоны) выступают как одна частица. Но когда включаются электромагнитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие, а П-мезоны на три (П°, П+, П-). Подобное расщепление позволяет рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики. На этом пути наука стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния материи, которые в конечном счете определяют эволюцию Вселенной, особенности взаимодействия и развития ее объектов. 
Первым большим успехом на этом пути было открытие кварковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотическими объектами не только потому, что у них дробный электрический заряд (1/3 или 2/3 от заряда электрона, принимаемого за 1). Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать: при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживается несколько своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками. «10»