Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 37

Живая система: свойства, уровни организации и пограничные случаи

У живого нет одного волшебного признака. Клетка, организм и экосистема различаются уровнем организации, но на каждом можно изучать потоки вещества, регуляцию и изменения. Пограничные случаи вроде вируса показывают пределы простого списка признаков.

Живые системы и их изучение

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Живые системы и их изучение

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Единство химического состава живого
  • Дискретность и целостность
  • Сложность и упорядоченность
  • Открытость к потокам вещества и энергии
  • Самоорганизация
  • Самовоспроизведение
  • Раздражимость и изменчивость
  • Рост и развитие
  • Молекулярный, клеточный и тканевый уровни
  • Организменный и популяционно-видовой уровни
  • Экосистемный и биосферный уровни
  • Науки и методы разных уровней
  • Границы определения жизни
КлеткаТканьОрганОрганизмТкани и органы — уровни многоклеточного организма
Молекулы образуют части клеток, клетки — ткани и организмы, а организмы входят в популяции и экосистемы; уровни различаются типом вопросов, а не ценностью.

Как это устроено

Единство химического состава означает, что организмы используют общие типы элементов и молекул, но их количественные доли различаются. Дискретность позволяет выделить клетки, органы или особей, а целостность напоминает, что их взаимодействия создают функции системы. Упорядоченность живого поддерживается постоянным обменом веществ и энергии с окружающей средой; это не нарушение законов физики. Самоорганизация не означает отсутствие генетической информации или внешних условий: например, клетка собирает структуру мембраны из молекул в подходящей среде и регулирует её состав.

Самовоспроизведение, раздражимость, рост, развитие и изменчивость дополняют описание живого. Не каждый отдельный организм обязан лично размножаться, чтобы считаться живым: бесплодное животное сохраняет обмен и регуляцию. С другой стороны, кристалл может увеличиваться и образовывать упорядоченную структуру, но это ещё не делает его организмом. Вирус имеет геном и способен эволюционировать как линия, однако вне клетки хозяина не поддерживает самостоятельный обмен и размножение. Потому вопрос о границе понятия «живое» обсуждают через совокупность критериев и научную цель определения, а не отвечают одним механическим тестом.

Уровни организации — разные масштабы с разными методами. Биохимия исследует молекулы, клеточная биология — клетки и органоиды, гистология — ткани, физиология — функции организма, популяционная биология — группы особей, экология — сообщества и экосистемы, науки о Земле и биология вместе изучают биосферу. Один и тот же процесс пересекает уровни: генетический вариант может менять белок, клеточную реакцию и признак организма, а его частота в популяции зависит ещё и от среды, миграции и отбора. Нельзя считать, что объяснение на самом мелком масштабе автоматически исчерпывает более крупный.

Фраза «жизнь — форма существования материи» в программе задаёт предмет обсуждения, но учебное исследование требует операциональных признаков: что наблюдаем, чем измеряем и какую гипотезу проверяем. Для клетки это может быть обмен веществ и деление, для экосистемы — потоки энергии и вещества. На практике сначала задают границы системы, затем строят измеряемую модель и называют её ограничения. Готовые изображения бактерии, ткани, организма и экосистемы позволяют разложить одно утверждение по уровням без небезопасных культур микроорганизмов или сбора личных данных людей.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Живая система

Организованное целое с взаимосвязанными компонентами, в котором поддерживаются процессы обмена, регуляции и передачи наследственной информации.

Пример: Клетка бактерии — живая система; организм человека состоит из многих взаимодействующих клеток.

Дискретность

Наличие различимых составных частей и отдельных единиц, которые можно исследовать, не считая систему бесструктурной непрерывной массой.

Пример: Клетки ткани различимы, хотя их совместная работа образует функцию органа.

Целостность

Возникновение свойств системы из согласованного взаимодействия частей, которое нельзя полностью понять по одной изолированной части.

Пример: Сокращение сердца зависит от согласования множества клеток и сигналов, а не от одного миоцита.

Открытая система

Система, обменивающаяся с окружением веществом и энергией и сохраняющая организацию лишь при поддержании необходимых потоков.

Пример: Растение получает свет, CO₂, воду и ионы и выделяет продукты обмена и тепло.

Самоорганизация

Возникновение и поддержание упорядоченных структур через взаимодействия компонентов при определённых условиях без внешней ручной сборки каждой части.

Пример: Мембранные липиды способны образовывать бислой, а клетка управляет его составом и функциями.

Самовоспроизведение

Способность живых систем участвовать в образовании новых клеток или организмов с передачей наследственной информации.

Пример: Бактериальная клетка делится, но отдельный стерильный организм может оставаться живым без личного размножения.

Раздражимость

Способность клетки или организма обнаруживать изменение условий и отвечать на него определённым физиологическим действием.

Пример: Побег растения меняет направление роста при неравномерном освещении.

Изменчивость

Наличие различий между особями или состояниями организма, возникающих из наследственных вариантов и влияния условий среды.

Пример: Два растения одного вида могут отличаться высотой из-за наследования и освещения.

Рост

Увеличение размеров или массы системы за счёт накопления вещества и клеточных процессов, отличное от простого внешнего намокания.

Пример: Корень увеличивается благодаря делению и растяжению клеток, а не только прилипшей воде.

Развитие

Упорядоченное изменение строения и функций организма в ходе его жизненного цикла с участием генов и условий среды.

Пример: Прорастание семени включает появление корня и побега, а не только увеличение массы.

Уровень организации

Выбранный масштаб исследования живого, для которого характерны свои объекты, процессы и методы измерения.

Пример: На клеточном уровне измеряют транспорт через мембрану, на популяционном — частоты вариантов и численность.

Популяция

Совокупность особей одного вида с общими связями размножения на определённой территории и во времени, границы которой уточняют для исследования.

Пример: Численность и наследственное разнообразие местной группы растений изучают на популяционном уровне.

Экосистема

Совокупность сообществ организмов и неживой среды с потоками энергии и круговоротом веществ в заданных границах.

Пример: Лесная экосистема включает деревья, грибы, животных, почву, воду и их связи.

Биосфера

Совокупность областей Земли, где существует жизнь, и связанных между собой живых систем и геохимических процессов планетарного масштаба.

Пример: Глобальный круговорот углерода изучают на уровне биосферы, сопоставляя океан, сушу и атмосферу.

Пример по шагам

Ученик говорит: «Стерильное животное неживое, потому что не размножается; кристалл живой, потому что растёт». Что не так с обоими выводами?

  1. Признаки живого оценивают в комплексе и на подходящем уровне: способность вида к воспроизводству не требует размножения каждой особи.
  2. Рост кристалла — увеличение за счёт физического осаждения вещества, а не клеточного роста и развития организма.
  3. Проверяют обмен, регуляцию, клеточную организацию и другие свойства, не подменяя их одним словом.

Вывод: Один отдельно взятый признак не служит ни необходимым для каждой особи, ни достаточным для признания объекта организмом.

Практическая работа

Четыре масштаба одной живой системы

  1. На готовых изображениях растения обозначьте молекулу, клетку, орган и особь, затем добавьте её популяцию и экосистему на отдельной схеме.
  2. Для каждого уровня запишите один измеряемый вопрос и подходящий метод.
  3. Отметьте, какие свойства появляются при взаимодействии частей и почему фотографии не доказывают все процессы.

Что можно заключить: Выбор уровня и метода определяет, какой биологический вопрос можно обоснованно решить.

Безопасность: Работайте с готовыми изображениями и безопасными растениями; не выращивайте неизвестные микроорганизмы и не берите биоматериал людей.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.