Какими свойствами обладает организм как целостная система

Проблема современного высшего образования неразрывно связана с компетентностным подходом к усвоению бакалаврами сущности изучаемых явлений, а также с овладением ими приемами обработки и понимания лекционного материала. Один из путей решения этой проблемы — усиление внимания к самостоятельной работе. Самостоятельная работа бакалавра включает две взаимосвязанные части — аудиторную и внеаудиторную на основе мотивированной познавательной деятельности, требующей самоорганизации и самодисциплины. Следовательно, правильно организованная самостоятельная работа бакалавров может повысить качество их обучения.

Учебник ориентирован на бакалавров, изучающих дисциплину «Анатомия и возрастная физиология», которая в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения по направлениям подготовки 44.03.02 «Психолого-педагогическое образование», 44.03.01 «Педагогическое образование» включена в учебный план и содержится в блоке математических и естественнонаучных дисциплин федерального компонента.

Предлагаемое издание поможет бакалаврам в освоении данной учебной дисциплины и в организации их самостоятельной работы по индивидуальному плану. Оно содержит необходимый теоретический материал, представленный в краткой форме и включающий структурно-логические схемы, комплекс практических занятий, материал и задания для различного вида самостоятельных работ, рекомендуемое информационное обеспечение. Представленные в учебнике варианты тестового проверочного задания позволяют сту- дентам-бакалаврам проверить степень своей готовности к итоговой аттестации и уровень усвоения основных базовых понятий и компетенций.

з

ОРГАНИЗМ КАК ЦЕЛОСТНАЯ СИСТЕМА

СВОЙСТВА ОРГАНИЗМА КАК ЕДИНОГО ЦЕЛОГО

Живой организм — морфофункциональная целостность, части систем и подсистем которой находятся в определенном соподчинении друг другу.

Организм человека развивается в сложных условиях воздействия и взаимодействия как внешних, так и внутренних факторов. На него оказывают влияние различные внешние факторы, которые подразделяют на природные (абиотические, т.е. факторы неживой природы, и биотические, т.е. элементы живой природы), техногенные и социальные (рис. 1).

Рис. 1. Многообразие факторов окружающей среды

К внутренним (биологическим) факторам относятся: наследственность, конституция, возраст, пол.

Единство организма как целостной системы обеспечивается ней- рогуморальной регуляцией. Нарушение нейрогуморальных связей ведет к прекращению существования организма как единого целого и к его гибели.

Различают несколько уровней организации живой материи и, соответственно, уровней ее познания. В медико-биологических исследованиях человека наиболее высоким уровнем познания является изучение целостного организма, его строения, функционирования, групповых и индивидуальных вариаций.

Целостный организм состоит из комплекса анатомо-физиологических систем органов (рис. 2).

Рис. 2. Структура организма человека

Помимо этого, для организма человека характерна определенная структурная иерархия уровней организации: органный, тканевый, клеточный, субклеточный и молекулярный (рис. 3).

Системы органов — категории постоянные, не зависящие от этапа развития или особенностей функционирования организма. Иной смысл вкладывают в понятие функциональных систем. Согласно мнению известного русского физиолога П.К. Анохина, функциональная система представляет собой динамическое объединение органов и структур тела, направленное на достижение жизненно важного для организма приспособительного результата и функционирующее по принципу саморегулирования. В состав функциональной системы входят органы, принадлежащие разным анатомическим системам.

Орган с анатомической точки зрения — более или менее обособленная часть системы или аппарата, имеющая самостоятельное функциональное значение в организме. Это возникшая в ходе эволюции система основных тканей, объединенных между собой общей функцией, строением и развитием, более или менее обособленная

Рис. 3. Уровни организации живой материи

часть аппарата, имеющая самостоятельное функциональное значение в организме.

Схема строения органа включает рабочий элемент (паренхиму) и опорную конструкцию, которая называется стромой. В изучении органов важно знать не только их внутреннее строение, но и топографию, т.е. местоположение в организме.

Следующий уровень организации — тканевый. Ткань — комплекс элементов и неклеточных гистологических структур (симпласты, межклеточное вещество), объединенных общностью происхождения, строения и функций. В организме человека присутствуют ткани четырех основных видов: эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная. Каждый вид тканей, за исключением нервной, объединяет несколько разновидностей.

Например, в эпителиальной ткани, выполняющей в организме защитную и обменную функции, различают однослойный и многослойный эпителий, а помимо этого в зависимости от функций она подразделяется на следующие виды: кожный, кишечный, дыхательный (мерцательный), железистый эпителий, мезотелий и др.

Соединительная ткань, или ткань внутренней среды, выполняет опорную, трофическую, защитную и теплообменную функции. Она включают 12 разновидностей, объединенных в несколько групп на основе специфики строения межклеточного вещества: твердая ткань (костная и хрящевая), жидкая (кровь и лимфа), рыхлая (жировая ткань) и волокнистая (собственно соединительная ткань).

Мышечная ткань обеспечивает устойчивость организма и выполняет двигательную функцию. Она подразделяется на гладкую (ткань, образующая стенки внутренних органов), поперечно-полосатую (она формирует скелетные мышцы) и сердечную (ткань, образующая стенку сердца).

Нервная ткань не имеет разновидностей и состоит из нервных клеток (нейронов) и нейроглии (вспомогательных клеток) (рис.4).

Рис. 4. Классификация тканей организма человека

Основной элемент тканей — клетка. В общебиологическом и эволюционном аспекте клетка представляет собой исторически возникшую нерасчлененную, преемственно развивающуюся, самую элементарную и одновременно наиболее сложную живую систему. Клетки различаются размерами, формой, наличием отростков, внутренним содержимым.

В организме человека более ста триллионов клеток, которые, в свою очередь, образуют сложную микросистему, отличающуюся определенной структурно-функциональной организацией и многосторонними взаимодействиями с другими клетками.

Обязательными компонентоми клетки организма человека являются ядро и цитоплазма. Наряду с клетками в организме имеются и неклеточные гистологические структуры (межклеточное вещество и симпласты). Клеточные структуры могут иметь упрощенное или усложненное строение.

Внутриклеточные структуры представляют субклеточный уровень организации живой материи. В состав клетки входят такие части, как ядро, цитоплазма и клеточная мембрана (оболочка клетки). В ядре различают кариоплазму, ядрышко и ядерную мембрану. В цитоплазме располагаются органоиды общего и специального значения, включения и гиалоплазма. Органоиды — постоянные структуры клетки, выполняющие специальные функции. Включения — непостоянные клеточные структуры, формирующиеся в результате обмена веществ. Ядро и содержащиеся в нем хромосомы, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), — материальные носители наследственной информации. Органоиды общего значения (аппарат Гольджи, митохондрии, клеточный центр, эндоплазматическая сеть, рибосомы, лизосомы и др.) — постоянные структуры каждой клетки, ответственные за ее функционирование. Митохондрии обеспечивают клетку энергией за счет распада аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ); эндоплазматическая сеть и рибосомы — место синтеза белковых веществ; лизосомы своими ферментами отвечают за внутриклеточное пищеварение и защиту клетки, осуществляют санитарные функции.

Органоиды специального назначения — постоянные структуры клеток определенных тканей. К ним относятся тонофибриллы, реснички, микроворсинки, миофибриллы, нейрофибриллы.

Следующий уровень организации живой материи — молекулярный. Уже на этом уровне в живом организме отмечается усложнение, большое число элементов, образование макромолекул и их комплексов, что связано с хранением, в частности, генетической информации в молекуле ДНК, обеспечивающей онтогенез организма и самовоспроизведение, т.е. сохранение и эволюцию видовых признаков в филогенезе.

Структура молекулы ДНК определяет структуру рибонуклеиновой кислоты (РНК), белков, а затем — структуру и поведение клеток, тканей, организма в целом. Структура молекулы ДНК меняется только под влиянием внешних воздействий, например различных излучений, а также спонтанно. В молекуле ДНК нет механизма обратной связи, которая вызвала бы перестройку хромосом, генетического кода и выбор иного пути филогенеза, т.е. исторического развития.

Таким образом, клетка представляет собой сложную структуру, которая обменивается энергией и химическими веществами с окружающей средой, делится на части (дочерние клетки такой же структуры), дифференцируется, перемещается, меняет свою структуру и поведение при изменении внешней среды.

Структура клеток, тканей, органов и самих организмов, как и их поведение, определяется наследственной, генетической информацией, а молекула ДНК выступает в качестве единственной структуры, способной хранить генетический код, гарантирующий самовоспроизведение организмов.

Главными уровнями организации жизни являются ген, живая клетка, орган, организм, популяция, сообщество (биоценоз). Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем. В ее основе, как и всей биологии, лежит теория эволюционного развития органического мира Ч. Дарвина, базирующаяся на представлении о естественном отборе. В результате борьбы за существование выживают наиболее приспособленные организмы, которые передают выгодные признаки, обеспечивающие выживание, своему потомству, которое может их развить дальше, обеспечив стабильное существование данному типу организмов в данных конкретных условиях среды. В случае изменения условий выживают организмы с более благоприятными для новых условий признаками и т.д.

Роль среды, т.е. физических факторов, в эволюции и существовании организмов не вызывает сомнений. Эта среда получила название абиотической, а ее составляющие (вода, воздух и др.) и факторы (температура и пр.) называют абиотическими компонентами, в отличие от биотических компонентов, представляющих собой живое вещество. Взаимодействуя с абиотическими компонентами, биотические компоненты образуют определенные функциональные системы. Так, в результате взаимодействия с веществом и энергией абиотических компонентов гены как биотические компоненты образуют генетические системы, а сообщества соответственно образуют экосистемы (Ю. Одум). Указанные биосистемы (генетические системы, клеточные системы, системы организмов, популяционные системы, экосистемы), представляющие собой целостное объединение биотических и абиотических компонентов, характеризуются различными уровнями биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Они отражают иерархию природных систем, при которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем.

Свойства каждого уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Более того, свойства каждого уровня невозможно объяснить, исходя лишь из свойств отдельных компонентов его более низких уровней. Такое наличие у системного целого особых свойств, не присущих его подсистемам и блокам, называют эмерджентностью.

В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как биотической, так и абиотической. Биологическим видом называют совокупность сходных особей, которые, тем не менее, как индивидуумы отличаются друг от друга. При этом всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже состоящих в близком родстве, т.е. объединенных в один род.

Поскольку каждая отдельная особь имеет свои специфические особенности, то и реакция их на изменение состояния среды различна. Так, часть особей данного вида может не выдержать повышения температуры, и погибнет, но популяция всего вида выживает за счет других, более приспособленных.

Популяция – это совокупность особей одного вида. Генетики в качестве обязательного условия обычно добавляют в определение популяции способность этой совокупности к самовоспроизведению.

Биоценоз – это совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных. Термин “биоценоз” впервые использовал К. Мебиус (1877). Эта совокупность популяций обычно рассматривается ограниченной некоторым географическим пространством, сочетание абиотических факторов которого (воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы) называют биотопом.

Компоненты биотопа не просто существуют рядом с биоценозом, но активно взаимодействуют между собой и с живыми организмами биоценоза, создавая определенную биологическую систему, названную В. Н. Сукачевым биогеоценозом. В такой системе, по Сукачеву, совокупность абиотических и биотических компонентов имеет “… свою, особую специфику взаимодействий” и “определенный тип обмена веществом и энергией между собой. Представления В. Н. Сукачева в дальнейшем легли в основу биогеоценологии – научного направления в биологии, изучающего проблемы взаимодействия живых организмов между собой и с окружающей их абиотической средой.

Введенное Сукачевым понятие биогеоценоза фактически эквивалентно предложенному в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли понятию экосистемы. Экосистема, по Тенсли, – это “совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов окружения, т.е. факторов местообитания в широком смысле”. Подобные определения имеют место и у других известных экологов, в частности, у Ю. Одума.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические (пищевые) взаимоотношения организмов. Все организмы делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные организмы для своего существования используют неорганические вещества, создавая органическую материю из неорганической. К автотрофным относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, синезеленые водоросли и др.

Гетеротрофные организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные, человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мертвую органику, называются сапротрофами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счет живых тканей – паразитами.

Поскольку организмы разнообразны по видам и формам питания, они вступают между собой в сложные трофические взаимоотношения. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют ее в неорганическую форму.

Продуцентами называются производители продукции, которой затем питаются все остальные организмы. К продуцентам относятся наземные зеленые растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы – это потребители органических веществ. К ним относятся как животные, употребляющие только растительную пищу, – травоядные, так и питающиеся только мясом других животных – плотоядные (хищники), а также и всеядные (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) – это восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO2 , NO2 и H2O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально являются теми же самыми консументами, поэтому их часто называют микроконсументами.

Микроорганизмы, бактерии и другие более сложные формы в зависимости от среды обитания подразделяют на аэробные, т.е. существующие при наличии кислорода, и анаэробные – живущие в бескислородной среде.

Организм – это любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация, обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма, т.е. самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост и развитие, размножение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования – адаптация.

Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации (гены, клетки, органы). Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других его частей и функций. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора, те или иные органы получают приоритетное развитие. Примером может являться мощная корневая система у растений засушливой зоны, чрезвычайная зоркость у ночных хищников или, наоборот, “слепота” в результате редукции глаз у животных, ведущих подземный образ жизни в постоянной темноте.

Живые организмы обладают обменом веществ (метаболизмом), при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание или фотосинтез, посредством которого зеленые растения аккумулируют энергию солнечного излучения. В процессе фотосинтеза за счет солнечной энергии происходит следующая химическая реакция:

,

где – молекула глюкозы.

Некоторые микроорганизмы, бактерии, способны синтезировать органические соединения за счет других компонентов, например, за счет соединений серы. Такие процессы называют хемосинтезом.

Обмен веществ в организме происходит при участии особых макромолекулярных белковых соединений – ферментов, играющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в организме контролируется специальным ферментом, содержание которого в свою очередь контролируется определенным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего и к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Процессы метаболизма регулируются не только ферментами, но также и другими макромолекулярными соединениями – коферментами, частным случаем которых являются витамины. Витамины жизненно необходимы для осуществления метаболических реакций всех организмов – бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов приводит к нарушению обмена веществ и, как следствие, к заболеванию.

Наконец, для ряда метаболических реакций необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных органах и доставляются в другие места организма кровотоком либо посредством диффузии.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего процесса его индивидуального развития. Этот процесс индивидуальной эволюции организма от зарождения и до смерти называется онтогенезом. Онтогенез представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т.е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее к их специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). При бесполом размножении – с образованием нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т.п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную) и послезародышевую (постэмбриональную) стадии, а также период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйца, а у живородящих – рождением. Важное биологическое и экологическое значение для ряда животных имеет первоначальный этап постэмбрионального развития, протекающий либо по типу прямого развития (цыпленок – курица), либо по типу метаморфоза. Во втором случае развитие происходит вначале в форме личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (головастик – лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т.д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формирование взрослого организма) и старение (ослабление биосинтеза, всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафит) и полового (гематофит) поколений.

Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового, теплового и др. загрязнений среды, что может привести к появлению уродств или даже к гибели индивида на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития – филогенеза. Последний термин ввел Э. Геккель в 1866 г. Для целей экологии необходима реконструкция эволюции животных, растений и микроорганизмов. Этими вопросами занимается филогенетика.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма задается сформулированным Э. Геккелем биогенетическим законом: онтогенез всякого организма представляет собой краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида.