1.6. Развитие организма как живой целостной системы

Организм – 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 – самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие 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. Все эти части организма (гены, клетки, клеточные ткани, целые органы и их системы) являются компонентами и системами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора те или иные органы получают приоритетное развитие. Например, мощная корневая система у растений засушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редукции глаз у ночных животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или метаболизмом, при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание, которое еще Лавуазье и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными растениями связывается солнечная энергия, а результаты дальнейших процессов метаболизма используются всем растением.

Как известно, в процессе фотосинтеза кроме солнечной энергии используются двуокись углерода и вода. Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:

Солнечная энергия

6 СО₂ х 12Н₂О -------------------------------С₆Н₁₂О₆ х 6О₂ ,

где С₆Н₁₂О₆ – богатая энергией молекула глюкозы.

Практически вся двуокись углерода (СО₂) поступает из атмосферы, и днем ее движение направлено вниз к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыхание - процесс обратный, и движение СО₂ ночью направлено вверх, и идет поглощение кислорода.

Некоторые микроорганизмы, бактерии способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, например за счет соединений серы. Такие процессы называются хемосинтезом.

Обмен веществ в организме происходит только при участии особых макромолекулярных белковых веществ – ферментов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в процессе жизни организма контролируется особым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего - к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метаболизма. Им помогают коферменты – это крупные молекулы, частью которых являются витамины – вещества, необходимые для обмена веществ всех организмов – бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням - нарушается обмен веществ.

Наконец для ряда метаболических процессов необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) организма и доставляются в другие места кровью или посредством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организме общую химическую координацию метаболизма и помогают, например, нервной системе животных и человека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувствительно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Оно вызывает нарушение генетических систем, структуры клеток и подавляет действие ферментных систем. Все это приводит к болезням человека, животных и растений, угнетению и даже уничтожению видов, живых организмов.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Он 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 их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы), при бесполом размножении – с образования 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), послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйцевых оболочек, а у живородящих – рождением. Важное экологическое значение для животных имеет первоначальный этап послезародышевого развития, протекающий по типу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цыпленок – курица и т.д.), во втором развитие происходит в виде 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 (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафита) и полового (гематофита) поколений. Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т.е. на уровне индивида (особи), - это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития – филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э.Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука – филогенетика, базирующаяся на данных трех наук – морфологии, эмбриологии и палеонтологии. Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Э.Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, в начале в утробе матери (у млекопитающих и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде историческое развитие своего вида.