Чтение онлайн

Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы. Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между слагающими ее элементами.

Наряду с эмпирическими и теоретическими используются и полуэмпирические модели. Для них математические выражения получаются теоретическим путем с точностью до эмпирически получаемых констант либо в общей системе соотношений моделей наряду с теоретическими выражениями используются и эмпирические.

Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же либо к более узкому классу. Методы моделирования во многом сходны. Так, чрезвычайная сложность биологических систем заставляет с осторожностью относиться к данным, полученным при использовании их моделей, требует верификации данных. Специфичность биологических систем требует применения адекватного математического аппарата. Моделирование как метод исследования все шире используется в биологии. Выделяют следующие уровни структурной организации живого: клеточный – тканевой – органный – организменный – попу-ляционный – биоценотический – экосистемный. На каждом уровне в качестве объекта исследования выступают клетка, ткань, организм, популяция, сообщество, экосистема. Модели нашли свое применение на каждом уровне организации. Так, на клеточном уровне наиболее известны модели различных биохимических процессов, например фотосинтеза или биосинтеза белка. На органно-тканевом уровне часто применяются модели динамики физиологических процессов, как, например, модели образования и накопления молочной кислоты в мышцах.

С повышением уровня организации с помощью моделей удается получать преимущественно качественную информацию, в противном случае – количественную.

Клетки – это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное как клеточная теория, сложилось постепенно в XIX в. в результате микроскопических исследований. Можно вполне убедительно обосновать клеточную основу жизни. Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть отделена от своего окружения и должна обладать способностью к обмену с этим окружением.

Все клетки живых организмов содержат цитоплазму и генетический материал в форме ДнК. ДНК регулирует жизнедеятельность клетки и воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки.

Не существует строгого определения, что такое жизнь. Четкое определение жизни дать затруднительно, поэтому это понятие определяется указанием существенных признаков.

1. Питание. Оно служит для живых организмов источником энергии и веществ. Растения усваивают энергию непосредственно через процесс фотосинтеза, животные и грибы – через расщепление чужой органики. Первые именуются автотрофами, а вторые – гетеротрофами.

2. Дыхание. Одной из основных его функций является освобождение энергии при расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая при этом энергия запасается в молекулахАтФ.

3. Раздражимость является способностью реагировать на изменение внешней и внутренней среды.

4. Подвижность. Это свойство следует понимать не только как действие, ведущее к изменению положения в пространстве, например для растений это менее всего характерно, но в большей степени как общий приспособительный элемент адаптационного поведения, чаще всего выраженный в изменении пространственных координат.

5. Выделение – выведение из организма конечных продуктов обмена веществ.

6. Размножение. Его эволюционная роль заключается в сохранении главных признаков родителей у потомства.

7. Рост – это один из наименее специализированных признаков живого вещества. Он характерен и для неживой материи, примером тому можно считать кристаллы, но и здесь можно провести принципиальное различие: рост кристаллов – это пассивное присоединение вещества снаружи, а рост живых организмов – выраженный процесс и результат жизнедеятельности.

Эти элементарные свойства жизни присущи биологическим системам уже на клеточном уровне организации, поэтому клетку правомочно считать элементарной структурной единицей жизни. Различные иерархические уровни сложных объектов имеют функциональное и структурное сходство. Данная аналогия давно подмечена и с успехом используется при подаче теоретического материала цитологии в разного рода учебных пособиях и в цитологической терминологии. К примеру, даже название структурных элементов клетки – «органеллы» является производным от «органов» многоклеточного организма. Подобие различных иерархических уровней в сложных системах получило название фрактальности. Клетка является открытой системой, которая обменивается с окружающей средой веществом и информацией, пропускает через себя поток энергии, непрерывно понижая энтропию. Этими свойствами обладает любая биологическая система.

Несмотря на общность структурной, биохимической и физиологической организации, присущую всем живым организмам, их можно поделить на две большие группы – прокариоты и эукариоты. Принципиальное и наиболее заметное различие между этими двумя группами организмов заключается в том, что эукариоты имеют особый органоид – ядро, т. е. генетический материал обособлен и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих ДНК и особые белки. Деление происходит в результате сложного процесса, называемого митозом. Однако неправильно будет сказать, что прокариоты не имеют ядра, так как у них есть ядроподобные структуры – нуклеоиды. Более корректное выражение: прокариоты не имеют оформленного ядра, так как нукле-оиды имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы мембраной. Наследственную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длинную молекулу ДНК.

Кратко охарактеризуем основные органеллы эука-риота.

Рибосомы синтезируют белковые молекулы, пользуясь молекулами информационной РНК как матрицами. Они являются самыми мелкими органел-лами. Они присутствуют как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Эндоплазматический ретикулум – сеть мембран, которые образуют отсеки, где проходит синтез и транспортировка синтезируемых в клетке веществ. Ядро содержит наследственный материал клетки в виде ДНК. Ядро имеется во всех эукариотических клетках. В ядрышках происходит частичный синтез рибосом.

Микротрубочки образуют сложную сеть, определяющую форму клетки, как бы клеточный скелет.

Они же позволяют клетке передвигаться и менять очертания.

Лизосомы содержат ферменты, разрушающие вещества, которые мешают жизнедеятельности клетки.

Хлоропласты, находящиеся в клетках растений, осуществляют фотосинтез.

В клеточную мембрану встроено множество сложных белковых молекул, регулирующих ее проницаемость и осуществляющих процессы обмена клетки с окружающей средой.

Митохондрии – это химические фабрики, генерирующие энергию клетки в процессах управляемого разложения молекул питательных веществ.

Клетки прокариот по сравнению с клетками эукари-от имеют ряд принципиальных различий; неодинаковое строение ядерного аппарата – не единственный отличительный признак. У прокариот в цитоплазме отсутствует система мембран, которая у эукариот образует эндоплазматический ретикулум, отсутствуют структурно оформленные органеллы, присущие эука-риотам, такие как митохондрии и хлоропласты, комплекс Гольджи, лизосомы. Особенности структурной организации обусловливают и ряд функциональных отличий прокариотических клеток от эукариотических. Прокариотам не свойственно направленное движение цитоплазмы, внутриклеточное пищеварение, явления фагоцитоза и пиноцитоза. Клетки подавляющего большинства прокариот значительно мельче эукариотиче-ских клеток, для них характерно большее соотношение поверхности к объему, что обусловливает более интенсивный обмен с окружающей средой. Рибосомы более мелкие, но их намного больше.