В биологията понятието организъм се използва в смисъл на съвкупност от съгласувани системи от клетки, тъкани и органи. В латинския език, който все още се приема за стандарт в различни научни области, се използват няколко различни термина за организъм - Gaeabionta, Biota, Vitae, Eobionti или Bionta. Под организъм също така се разбира съвкупност от всички съставни елементи на живото тяло.
Организмът е изграден от една или множество клетки. Многоклетъчните организми са изградени от два вида клетки – телесни (соматични) и размножителни. Телесните изграждат всички органи, а размножителните имат предназначение да дадат началото на нов организъм - т.е. репродуктивната функция е основен белег на живата природа. Абсолютно всеки жив организъм е в състояние да се възпроизвежда - да дава началото на нов жив организъм със същите биологични особености като родителския. При това организмът от следващото поколение трябва също да може да се самовъзпроизвежда - потомството трябва да бъде плодовито и това е един от критериите за биологичен вид. Така например е възможна кръстоска между магаре и кон - муле или катър, но мулето и катърът са безплодни и поради това магарето и конят се считат за два различни биологични вида. За последните 250 години в България като аномалия са наблюдавани две плодовити мулици. Разбира се, мулето и катърът напълно отговарят на критериите за жив организъм, но не са самостоятелен биологичен вид. В случай че мъжкият родител е кон, се ражда катър, а ако е магаре, се ражда муле. Катърът е по-едър от мулето, докато мулето е изключително издържливо по отношение на глад и лоши битови условия. Катърът също е доста издържливо животно и няма особени претенции към битовите условия, но мулето - в още по-голяма степен.
Класификацията на живите организми винаги е била предизвикателство за биолозите. Описани са различни царства, надцарства, класове, семейства, видове и разновидности. Към надцарство Прокариоти спадат бактериите, а към надцарство Еукариоти – животните, растенията, гъбите и част от микроорганизмите. Според начина на дишане организмите се разделят на аероби или анаероби, а според начина на хранене – самостойни (автотрофи, каквито са растенията, които сами набавят хранителни вещества за съществуването си чрез процеса фотосинтеза и наличните абиотични ресурси в средата) или несамостойни (всеядни, растителноядни и други). Другото наименование на несамостойните организми е хетеротрофи. Всички аеробни организми без изключение вдишват кислород и издишват въглероден диоксид, дори и растенията, които извършват фотосонтеза. При тях има дишане на кислород, докато фотосинтезата се смята като процес на хранене.
Организмите се отличават със следните характерни черти - хранене (храносмилане), дишане (вдишване и издишване), фотосинтеза, отделяне, растеж и размножаване. Съществуват много биологични особености на тези характерни черти - така например растежът би могъл да бъде ограничен или неограничен растеж, а според скоростта си - алометричен или изометричен. Размножаването може да бъде два вида:
безполово размножаване - чрез делене (бинарно делене), чрез пъпкуване, чрез разкъсване (фрагментация) или чрез спори (спорогенеза). Съществува вегетативно размножаване - чрез клубени, чрез листа или партеногенеза. Клонирането, което е създадено от човека, също представлява вид безполово размножаване
полово размножаване - истински напредък в еволюцията и усъвършенстването на живите организми. Съществува един много важен отличителен белег между безполовото и половото размножаване - докато при безполовото всяко следващо поколение е пълно генетично копие на родителя, при половото всяко следващо поколение има уникален генетичен набор и това само по себе си е един огромен скок в развитието на живата материя. Дори и само поради този факт полово размножаващите се организми бързо успяват да се разпространят по цялата планета. При съчетаването на гените на двамата родители се получават мутации, някои от които са особено полезни в оцеляването на индивида във враждебната околна среда и в конкуренцията за ресурси с другите индивиди. Други биха могли да бъдат вредни - да осигурят конкурентно предимство на останалите индивиди от същия вид, но само в рамките на едно или две поколения полезната мутация се съхранява, а вредната се елиминира от различните еволюционни механизми. При безполовото размножаване също са възможни мутации - под въздействието на различни йонизиращи лъчения и всякакви фактори от околната среда ДНК търпи структурни промени, но не същестува механизъм за обновяване на генетичния код при всяко следващо поколение
Реагирането на дразнения и движението са също важни характеристики на живите организми, които обаче не са универсални. Много организми не могат да се движат самостоятелно и не реагират пряко на дразненията около тях.
В нарастващ ред всеки един организъм е устроен по строго определен начин, като голяма част от структурните елементи се срещат както при живата, така и при неживата материя. В стремежа съм към опознаване на околната среда човекът е успял да проучи материята до микрониво, като за момента не е известно дали съществува едно базова структура, която да бъде неделима и не се състои от още и още микроелементи. Донякъде това твърдение е валидно и на макрониво - проучени са съседни галактики и цялата видима област от Вселената, но не е известно дали съществуват по-големи организирани структури. От микро- към макрониво живата природа се състои от следните структурни елементи:
Протоните и неутроните са открити и описани в началото на ХХ век. След това се установява че от своя страна те са съставени от елементарни частици от още по-ниско ниво, наречени кварки. В атомите присъстват два вида кварки, като всеки от тях има различен дробен електричен заряд: +2/3 (горен кварк) или -1/3 (долен кварк). Протоните се състоят от два горни кварка и един долен кварк, а неутронът се състои от един горен кварк и два долни кварка. На това различие се дължат различните маса и заряд на двете частици. Кварките са свързани помежду си от силното ядрено взаимодействие, чиито носители са глуоните. Глуонът е член на групата калибровъчни бозони – елементарни частици, които служат за преносители на фундаменталните физични сили. Много физици и изследователи дори обявяват бозона за божествена частица - което схващане изобщо не е лишено от основание, тъй като именно различните видове сили обусляват взаимодействията между различните форми на живата и неживата материя. Към настоящия момент на развитие на познанието на човека кварките се смятат за фундаменталните градивни елементи на материята - вероятно е въпрос на време да се открият още по-малки по размер елементарни частици? Кварките се комбинират, за да образуват съставни частици, наречени адрони, най-стабилните от които са протоните и неутроните, компоненти на атомните ядра. Те никога не се наблюдават директно, нито се откриват изолирано; могат да бъдат открити само в рамките на адроните, които включват бариони (като например протоните и неутроните) и мезони. Кварките имат различни присъщи свойства, включително електрически заряд, маса, цветен заряд и спин.
За да обясни свойствата на елементарните частици, през 1963 година американският физик Мъри Гел-Ман предлага теоретичен модел, съгласно който всички бариони и мезони са изградени от по-малки частици, наречени кварки. Думата кварк няма определено смислово значение. С присъщо на физиците чувство за хумор Гел-Ман я заимства от романа „Бдение над Финеган“ на известния писател Джеймс Джойс, чийто герой в съня си чува странната фраза „Три кварка за мистър Марк“. Първоначално кварковият модел на адроните (това е общото наименование на мезоните и барионите) включва 3 кварка, които се означават със символите u, d и s. Това са първите букви от названията на кварките на английски език (имената им са дадени съвсем произволно): up (горен), down (долен) и strange (странен). Кварките са единствените частици с дробен електричен заряд. При нормални условия u-кваркът има положителен заряд +2/3, докато d- и s- кварките са носители на отрицателен заряд -1/3.
Според съвременните представи цялата материя е изградена от 6 лептона и 6 кварка. Всички досегашни опити да се изолират отделни кварки са завършили с неуспех. Независимо от това съществуват убедителни косвени експериментални доказателства за съществуването на кварките. Експериментално са определени и техните маси. Шестият, така наречен топ-кварк, е открит през 1995 година с помощта на ускорителя във „Фермилаб“ (САЩ). Неговата маса е 340 000 пъти по-голяма от масата на електрона и 185 пъти по-голяма от масата на протона. На всеки кварк съответства антикварк със същата маса, но с противоположен електричен заряд.
Заедно с лептоните кварките са един от двата вида фермиона със спин −½. Обектите, съставени от кварки, се наричат адрони, като най-известните примери са протонът и неутронът. Кварките се различават от лептоните по наличието на допълнително квантово число, наречено цвят. Освен това лептоните имат цял електрически заряд (−1 или 0 в единици електронен заряд), докато кварките имат дробен електрически заряд (-1/3 или +2/3). Според Квантовата хромодинамика (КХД) всеки обект който има цветен заряд различен от нула, не може да бъде наблюдаван в свободно състояние. Това свойство се нарича конфайнмънт (от англ. confinement). Те са затворени в безцветните адрони. Ето защо отделни кварки не са наблюдавани. Експерименталното потвърждение за тяхното съществуване е чрез наблюдаване на струи (на английски: jets) от адрони с общо начало. В детекторите за елементарни частици винаги се наблюдават поне две струи. Отчитайки и закона за запазване на импулса индиректно се наблюдават обектите кварки.
Кварките взаимодействат чрез цветните взаимодействия. Техните съответни античастици са познати като антикварки. В Брукхейвънската национална лаборатория в Ню Йорк се извършват експерименти целящи да се наблюдават кварки като снопове ядра на златото се насочват един срещу друг при скорост близка до светлинната. Резултатът е възстановяване на онова състояние на материята – така наречената „кварк-глуонна плазма“ – каквото се предполага, че е съществувало десет милионни от секундата след Големия взрив.
Субатомната частица може да бъде протон, неутрон или електрон. През последните десетилетия се откриха голям брой различни елементарни частици. Макар че първоначално терминът атом означава частица, която не може да бъде разделена на по-малки части, в съвременната наука атомът се разглежда като съставен от различни субатомни частици. Обикновено атомите се състоят от електрони, протони и неутрони, но атомът на водород-1 (изотопът протий) не съдържа неутрони, а само протон и електрон. Водородният йон пък не съдържа електрони. Електронът е най-леката от тези субатомни частици с маса 9.11 х 10-31 kg, отрицателен електрически заряд и размер, прекалено малък, за да бъде измерен с известните днес техники. Протоните имат положителен заряд и свободна маса, 1836 пъти по-голяма от тази на електроните (1.6726 х 10-27 kg). Неутроните нямат електричен заряд, а свободната им маса е 1839 пъти по-голяма от тази на електроните (1.6929 х 10-27 kg). Неутроните и протоните имат сравними размери - около 2.5 х 10-15 метра, макар че тези частици нямат строго определена външна повърхност.
В Стандартния модел се приема, че електронът е истинска елементарна частица без вътрешна структура. Протоните и неутроните от своя страна са свързани в ядрото от ядрената сила, действаща между адроните, която е остатъчен ефект от силното ядрено взаимодействие и има малко по-различен обхват на действие от него. Всички протони и неутрони в атома образуват компактно атомно ядро, в което е съсредоточена 99 % от масата на атома, и се наричат нуклеони. Нуклеоните са свързани с помежду си с ядрени сили, които действат само на късо разстояние. При разстояния, по-малки от 2,5 fm, те са по-големи от електростатичната сила, която кара положително заредените протони да се отблъскват един от друг. Атомите на един и същ химичен елемент имат винаги еднакъв брой протони, наречен атомен номер. За даден елемент броят на неутроните може да варира, като различният брой определя различни изотопи на елемента. Общият брой на протоните и неутроните определя нуклида на атома. Отношението на броя на неутроните към броя на протоните определя стабилността на ядрото – изотопите с повече неутрони са по-неустойчиви, като някои от тях могат да претърпяват радиоактивен разпад. Неутронът и протонът са различни видове фермиони. Принципът на Паули е ефект на квантовата механика, който не позволява еднакви фермиони, например няколко протона, да имат едно и също квантово физично състояние по едно и също време. Така всеки протон или неутрон в ядрото трябва да има различно квантово състояние с различно енергийно ниво от всеки друг протон или неутрон, но е възможно протон и неутрон да имат еднакво квантово състояние. При атоми с малък атомен номер ядро с по-малко протони, отколкото неутрони, има възможност да слезе в по-нискоенергийно състояние чрез радиоактивен разпад, така че броят на протоните и неутроните да се сближи. В резултат на това атомите с приблизително равен брой протони и неутрони са по-устойчиви на радиоактивен разпад. С нарастването на атомния номер взаимното отблъскване на протоните изисква все по-голям относителен брой неутрони да стабилизират ядрото. По тази причина при елементите с атомен номер, по-голям от 20 (калций), не съществуват стабилни ядра с равен брой протони и неутрони. С по-нататъшното нарастване на атомния номер отношението на неутроните към протоните, необходимо за достигане на стабилност, се увеличава до около 1.5. Броят на протоните и неутроните в ядрото може да се променя, но това изисква много голямо количество енергия поради големите ядрени сили. Процесът на увеличение на броя (ядрен синтез) протича, когато атомни частици се обединяват, образувайки по-тежко ядро, например при силен сблъсък на две ядра. Така при процесите в ядрото на Слънцето на протоните са необходими енергии от 3 – 10 keV, за да преодолеят взаимното си отблъскване и да се обединят в общо ядро. Противоположният процес се нарича ядрено делене – ядрото се разцепва на по-малки ядра, обикновено чрез радиоактивен разпад. Ядрото може да се променя и чрез бомбардирането му с фотони или субатомни частици с висока енергия. Ако при това броят на протоните в ядрото се променя, се получава друг химичен елемент. Ако масата на ядрото, образувано чрез ядрен синтез, е по-малка от сбора на масите на отделните частици, разликата може да бъде излъчена във вид на енергия (като например гама лъчи или като кинетична енергия на бета частица), според формулата на Алберт Айнщайн за равенство на маса и енергия E = mc2, където m е разликата в масите и c е скоростта на светлината. Тази разлика в масите е част от енергията на свързване на новото ядро и именно това, че не подлежи на възстановяване по естествен начин, е причина съединилите се частици да останат заедно. Сливането на две ядра, при което се образува ядро на елементи с атомен номер, по-малък от този на желязо и никел (с общ брой нуклеони около 60), обикновено е екзотермична реакция, която освобождава повече енергия, отколкото е необходима за сливането им. Именно този процес на освобождаване на енергия прави процеса на термоядрен синтез в звездите самоподдържаща се реакция. При по-тежките ядра енергията на свързване на нуклеоните в ядрото започва да намалява с увеличаване на атомния номер. Това означава, че процесите на сливане, при които продуктите имат атомен номер над 26 и атомна маса над 60 е ендотермичен процес и се нуждае от външен източник на енергия. Тези по-масивни ядра не биха могли да осъществяват самоподдържащ се процес на ядрен синтез при хидростатичното равновесие във вътрешността на звездите.
Електроните в атома се привличат към протоните в ядрото от електромагнитната сила. Тя придържа електроните в електростатична потенциална яма около ядрото, поради което за тяхното отделяне от него е необходим външен източник на енергия. Колкото по-близо до ядрото е разположен електронът, толкова по-голяма е привличащата го сила, а оттам и енергията, необходима за отделяне. Електроните, както и другите частици, имат едновременно свойства на частица и вълна. Електронният облак е област от потенциалната яма, в която всеки електрон образува своеобразна триизмерна стояща вълна – вълнова форма, неподвижна спрямо ядрото. Това поведение се определя от атомната орбитала, математична функция, характеризираща вероятността електронът да се окаже на дадено място при измерване на положението му. Около ядрото съществува само дискретно (квантувано) множество от такива орбитали, тъй като останалите възможни вълнови форми са много нестабилни. Орбиталите може да имат структура и се различават една от друга по размер, форма и ориентация. Всяка атомна орбитала съответства на определено енергийно ниво на електрона. Електронът може да премине към по-високо енергийно ниво, поглъщайки фотон с достатъчна енергия, за да го премести в ново квантово състояние. По подобен начин, при спонтанно излъчване на фотон електронът може да се премести на по-ниско енергийно ниво. Тези специфични енергийни стойности, съответстващи на енергиите на квантовите състояния, са причината за атомните спектрални линии.
Количеството енергия, необходимо за отделяне или добавяне на електрон – енергията на свързване, е много по-малко от съответното количество енергия за нуклеоните. Например, отделянето на електрон от водороден атом изисква само 13.6 eV, докато за разделянето на ядро на деутерий са нужни 2.23 х 106 eV. Електроните, които са най-отдалечени от ядрото, могат да преминават към други близко разположени атоми или да се споделят между повече от един атом. По този начин атомите могат да се свързват в молекули и други химични съединения, като например кристали.
Атомът (от старогръцки: ἄτομος – неделим) е основната градивна частица на веществата в природата. Всеки атом се състои от плътно централно ядро с положителен електричен заряд, заобиколено от облак отрицателно заредени електрони - както е показано нс схемата долу, която схема се изучава в прогимназиалния курс на обучение в училищата по цял свят. Атомното ядро на свой ред е изградено от положително заредени протони и електрически неутрални неутрони. Електроните в атома са свързани с ядрото чрез електромагнитна сила. Атомите могат да съществуват в свободно състояние или да се свързват помежду си в молекули чрез химични връзки, също основаващи се на електромагнитните сили. Всеки атом съдържа равен брой протони и електрони, което го прави електрически неутрален - в противен случай той може да има положителен или отрицателен електрически заряд и се нарича йон. Различните атоми се класифицират според броя на протоните и неутроните в ядрото - броят на протоните определя химичния елемент, а броят на неутроните определя различните изотопи на съответния елемент.
Концепцията за атома като неделима съставна част на материята е предложена за първи път от античните философи на Индия и Древна Гърция. През XVIII и XIX век химиците дават научно обоснованата основа на тази идея. Те показват че някои вещества не могат да бъдат разделени чрез химически реакции и прилагат старото философско понятие атом, за да обозначат тази химическа неделимост. Атомите и молекулите се възприемат като най-малките градивни частици на материята. В края на XIX и началото на XX век физиците пък откриват субатомните частици и установяват различни структури вътре в атома, като по този начин опровергават неделимостта му и считат името за неподходящо. То обаче остава, тъй като вече е получило много широко разпространение в научните среди по цял свят.
Съвременното разбиране за атома се основава на принципите на квантовата теория. Атомите са миниатюрни обекти с диаметри от няколко десети от нанометъра и съответстваща на размера им маса. Те могат да се наблюдават само със специални инструменти като сканиращ тунелен микроскоп. Над 99.94 % от масата на атома е съсредоточена в ядрото, като протоните и неутроните имат приблизително еднаква маса. Всеки елемент има поне по един изотоп с нестабилно ядро, което може да претърпи ядрен разпад. Електроните, свързани в атома, притежават стабилни енергийни нива (т.е. намират се на определени атомни орбитали), като могат да извършват квантов скок към друго енергетично ниво чрез поглъщане или изпускане на фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на съответните енергетични нива. Електроните определят химичните свойства на химичния елемент и влияят върху магнитните свойства на атома.
От гледна точка на медицината основно значение имат химичните елементи, изграждащи организмите. Тези от тях, които са в по-голямо количество, носят името макроелементи - такива са водород, въглерод, азот, кислород, фосфор и сяра. Те изграждат около 99 % от масата на живата материя. Микроелементите са два типа - първите се съдържат в 0.01 до 1 % от масата на организмите, такива са натрий, магнезий, хлор, калций и калий, а вторите се съдържат в икзлючително малки количества - от порядъка на 0.001 %. В тази група се включват бор, флуор, силиций, мед, цинк, манган, желязо, кобалт и молибден.
Молекулата е структура от атоми, свързани помежду си чрез химични ковалентни връзки. Терминът молекула има латински произход - molecula е умалително съществително и е производно на moles (маса), тъй като се смята че молекулите са основни градивни единци на веществата от живата и неживата материя. Първите споменавания на думата датират от 1678 г. във френски източници (molecule). Терминът се разпространява по-широко по времето на Рене Декарт, но до края на XVIII век се използва само на латински и точното му значение не е било твърдо установено. Много химици приемат съществуването на молекулите като следствие от развитието на науката от началото на XIX век и особено на законите на Джон Далтон, изведени при опитите му за определяне на атомното тегло (1803–1808) и на извеждането на закона на Авогадро през 1811 година. Съществуват обаче и противници на това понятие. Те са сред привържениците на позитивизма, както и физици като Мах, Болцман, Максуел и Гибс. Според тях молекулите не са нищо повече от удобна математическа конструкция. На международния конгрес на химиците в град Карлсруе (Германия) през 1860 година са приети определенията за понятията молекула и атом. Молекулата според приетата конвенция е най-малката частица на химичното вещество, имаща всичките му химични свойства. Според съвременните представи за молекулите обаче от тях се състоят само вещества в парообразно или газообразно състояние. За окончателно доказателство за съществуването на молекулите се счита работата на Жан Батист Перен за Брауновото движение (1911). С увеличаването на знанията за строежа на веществото еволюира и дефиницията за молекула. Първите дефиниции я определят като „най-малката частица от дадено чисто химическо вещество, способна на самостоятелно съществуване и носител на основните му химични свойства“. Тази дефиниция обаче не отразява факта че много вещества, срещани в природата (скали, химически соли или метали) са съставени от голям брой химически свързани атоми или йони без да може да се идентифицират конкретни молекули.
Молекулите се смятат за неутрални (нямат електричен заряд) и всичките им валентности са наситени. Молекула, съставена от много атоми, се нарича макромолекула. Свойствата на молекулите се определят от техния състав и строеж, т.е. от вида, броя и начина на свързване на изграждащите ги атоми. Съставът и строежът на молекулите се изразяват съкратено с помощта на химични формули. От молекули са изградени част от простите вещества и всички хомеополярни химични съединения. Вещества, чиито молекули са съставени най-много от хиляда атома, се наричат нискомолекулни, а тези с по-голям брой атоми - високомолекулни. Превръщането на един вид молекули в друг се нарича химична реакция.
В кинетичната теория на газовете терминът молекула се употребява в по-широк смисъл: молекула се нарича всяка градивна частица на газа. Например атомите на благородните газове се смятат за молекули, макар че те са единични несвързани атоми. Подобно разширение на понятието се прилага и в квантовата физика, органичната химия и биохимията, където за молекули се смятат и молекулните йони, електрически заредените молекули и биомолекулите. Една молекула може да е съставена от атоми на един химичен елемент – например молекулата на кислорода съдържа два кислородни атома, или от атоми на различни елементи - молекулата на водата пък съдържа един кислороден и два водородни атома. Атомите и комплексите, свързани с нековалентни връзки като водородна или йонна връзка, обикновено не се смятат за самостоятелни молекули.
Като съставни части на веществото молекулите се срещат много често в органичните вещества, предмет на биохимията. Те съставляват и по-голямата част от океаните и атмосферата. В същото време има голям брой твърди тела, които съдържат множество химични връзки, но не са съставени от ясно различими молекули - такива са повечето от минералите, от които се състои земната кора, мантията и ядрото на Земята. Не може да се определи точна молекула и при йонните кристали (соли) и ковалентните кристали, макар че те често са съставени от повтарящи се елементарни клетки, разположени в равнина (например графенът) или обхващат трите измерения като диамантът. Повечето кондензирани среди с метална връзка също имат повтаряща се елементарна клетка. При стъклата (твърди вещества в стъклообразно неподредено състояние) атомите също са свързани с химични връзки без ясно изразена молекула и без подреденото състояние на кристалите с повтарящ се елемент.
Схема на водната молекула - състои се от един кислороден и два водородни атома. Тъй като това съединение е в основата на възникването, функционирането и развитието на живата материя, е необходимо всеки практикуващ лекар да познава строежа на водната молекула, различните агрегатни състояния и най-вече обменните процеси на водата
Изучаването на молекулите е предмет на молекулната химия, молекулната физика и молекулярната биология, в зависимост от това какъв е фокусът на научното изследване. Молекулната химия определя законите за взаимодействие между молекулите, в резултат на което се образуват и разрешават химически връзки, докато молекулната физика разглежда физическите закони, определящи тяхната структура и свойства. В практиката обаче разликата не е голяма. От гледна точка на науката за молекулите една молекула представлява стабилна система (свързано състояние) от два или повече атома. Многоатомните йони могат понякога да бъдат разглеждани като молекули с електрически заряд. Терминът „нестабилна молекула“ се използва за силно активни химически субстанции, които съществуват много кратко време самостоятелно - например радикали, молекулни йони, молекулни комплекси във възбудено или в преходно състояние както и системи от сблъскващи се атоми от типа на Бозе - Айнщайнова кондензация.
Повечето молекули са с твърде малък размер, за да бъдат наблюдавани с просто око, но има и изключения. ДНК е макромолекула и може да достигне макроскопичен размер; такива са и молекулите на много полимери. Най-малката молекула е тази на водорода (H2), която е с размер 0.74 Å. Молекулите, използвани като строителни блокове за органичен синтез обикновено имат размер от няколко ангстрьома до няколко десетки ангстрьома. Наблюдението на единични молекули не е възможно с обикновен оптичен микроскоп и дори с електронен микроскоп, но при някои обстоятелства малки молекули и дори очертанията на индивидуални атоми могат да се наблюдават с помощта на специален микроскоп — атомно-силов микроскоп (на английски: atomic force microscope). При означението на веществата с формула се използва най-простото съотношение на съставящите го химични елементи в цели числа. Например водата се състои винаги от две части водород и една част кислород, т.е. съотношението им е 2:1, а етиловият алкохол винаги съдържа въглерод, водород и кислород в съотношение 2:6:1. Това обаче не определя молекулата еднозначно, тъй като например диметиловият етер има същото съотношение като етанола. Молекулите с едни и същи по вид и брой атоми, но разположени по различен начин, се наричат изомери. Въглехидратите също съдържат едно и също съотношение на въглерод, водород и кислород (1:2:1), но могат да съдържат различен брой атоми в молекулата. Молекулната формула отразява точния брой атоми, съставящи молекулата и така чрез нея се означават различните молекули. Съществува и т. нар. емпирична формула, която често съвпада с молекулната, но не винаги. Например ацетиленът има молекулна формула C2H2, но най-простото съотношение между атомите му е 1:1, т.е. би следвало да се изпише СН. От химичната формула може да се изчисли молекулната маса. Тя се изразява в единици за атомна маса, които са равни на 1/12-а от масата на атома на въглеродния изотоп въглерод-12 (12C).
Различните органични молекули се групират в структури, които изграждат живата клетка. Структурата на живата клетка се обуславя от ограничаващата я активна мембрана и от биополимерите в цитоплазмата, които изграждат различни по сложност системи - именно те представляват клетъчните органели. Те са различни по своето устройство и функция.
Клетъчните органели са основно два вида - мембранни и немембранни. Към първите спадат плазмалемата, ядрото, апаратът на Голджи, ендоплазменият ретикулум, митохондриите, лизозомите, переоксизомите, а към вторите - рибозомите, микротубулите и микрофиламентите. С понятието клетъчни органели от общ вид се означават постоянни образувания със специфична структура, определен химичен състав и съответна функция. Те представляват субструктури на клетката с размери от 20 до 40 микрометра и обезпечават нейното разделяне на области с различен набор от биологични молекули. Отделните органели осъществяват специфични за тях метаболитни процеси, като е налице известно разпределение на функциите им. Така например митохондриите обезпечават необходимата за клетката енергия, в рибозомите се синтезират протеинови молекули, в апарата на Голджи се пакетира секреторният продукт и т.н. Към клетъчните органели от общ вид се отнасят тези, които се срещат във всички видове клетки. Това са ануларните ламели, клетъчният център, апаратът на Голджи, ендоплазменият ретикулум, рибозомите, митохондриите, пероксизомите, микротубулите, микрофиламентите, и покритите мехурчета.
Дейността на отделните клетъчни органели е съгласувана и взаимно обусловена, тъй като нито един клетъчен процес не е изолиран, а съставлява само част от една обща равновесна система. Животът на клетката е резултат от съгласуваното взаимодействие на много нейни структури и съответните им функции. Самите клетъчни органели не могат да съществуват изолирани независимо от това че е възможно при определени условия in vitro да изпълняват в ограничен обем някои действия.
Мембранните клетъчни органели са единични или взаимносвързани пространства от цитоплазмата, които са оградени от мембрани и се характеризират с определен химичен състав, свойства и функции. Всички те представляват затворени участъци - компартименти. Ядрото е една от най-големите клетъчни органели, поради което и е открито най-рано - от Антони ван Льовнехук през 1681 година. То е постоянна клетъчна структура и съдържа ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина), която съхранява генетичната информация за клетката и за нейния белтъчен състав. Пръстеновидните (ануларни) ламели са видими само с помощта на електронен микроскоп, и то в определени клетки - мъжки и женски гамети по време на развитието им, ембрионални и туморни клетки, понякога в епителни клетки от разнороден тип. Те са изградени от множество двойни успоредни мембрани, които заграждат множество пори, подобни на ядрените. Предполага се че ануларните ламели се образуват от издавания и отделяне на участъци от външната ядрена обвивка. Функцията им е свързана с пренос на информация от ядрото към цитоплазмата, поради което и те са временни структури - след приключване на процеса на активен протеинов синтез се накъсват и формират везикули.
Ендоплазменият ретикулум (мрежа) представлява съвкупност от цитоплазмени мембрани, изграждащи система от каналчета, вакуоли и цистерни, които могат да бъдат взаимно свързани. В техните кухини може да се открие електронно плътне материал. Срещат се във всички растителни и животински клетки с изключение на еритроцитите. В тази мрежа се осъществява синтез на липиди, стероидни хормони, мукополизахариди и гликоген. Освен това по хода на мрежата тези вещества се транспортират до различни части на клетката, натрупват се и се съхраняват, а някои вредни продукти от обмяната (или такива, постъпили от външната среда) се обезвреждат. Според много автори от негрануларния ретикулум се образува ядрената мембрана при делящите се клетки по време на телофазата. Някои клетки съдържат и гранулиран ендоплазмен ретикулум - мрежа, по външните слоеве на която са закрепени рибозоми. Този гранулиран ретикулум се наблюдава в зони на повишен протеинов синтез.
Митохондриите представляват клетъчни органели за синтезата на АТФ чрез окислително фосфолириране. Те доставят енергия, тъй като са център на клетъчното дишане. Броят им варира в зависимост от вида на клетките - от няколкостотин до няколко хиляди (както е например в хепатоцитите). Разпръснати са из цялата цитоплазма, а при някои клетки са типично групирани предимно във функционално активната им област. Оградени са от две мембрани, като външната е гладка, а вътрешната - набраздена и образува гребенчета (кристи). По тях в посока към матрикса са закрепени малки сфери, наречени елементарни телца или F1 - частици (оксизоми). Те съдържат ензима АТФ-синтетаза и в именно в тях се осъществява процесът на окислителното фосфолириране. Митохондриите са едиснтвените клетъчни органели, които съдържат собствена ДНК - тя кодира информацията, необходима за ситнезата на самия митохондрий. Освен това те имат и собствени рибозоми, които обаче са с по-малки размери от клетъчните рибозоми.
Апаратът на Голджи също представлява мрежа, разположена около ядрото - подобно на ендоплазмения ретикулум. Съдържа канали, сакове, цистерни и везикули, които търпят промени в динамика - дисталната цистерна се преобразува във везикули или секреторни зърна. Загубата на цистерни в дисталния полюс се компенсира от формирането на нови в проксималния. Пълното подновяване на този апарат се осъществява за период от 20 до 40 минути. Функцията на апарата на Голджи е свързана с вътреклетъчен транспорт, крайно гликозилиране и синтеза на протеогликани, сулфатиране на глюкозаминогликани и сегрегация на ензими, образуване на клетъчната мембрана и много други градивни и секреторни процеси.
Лизозомите са задължителни клетъчни органели, чрез които в клетката се разпадат попаднали отвън или намиращи се в нея собствени вещества и структури. Наименованието на тези органели има латински произход - от lysis - разтваряне. Богати са на хидролитични ензими - особено кисела фосфатаза. Най-общо лизозомите се делят на първични и вторични - първичните съдържат ензими в неактивно състояние, които все още не са влезли в контакт със субстратите, подлежащи на разграждане. Вторичните лизозоми съдържат такива субстрати и при контакт със структура, дошла отвън, носят името фагозоми, а при контакт със собствени структури на клетката се наричат автозоми. Следователно вторичните лизозоми съдържат и разпадащи се вещества.
Пероксизомите са по-малки по размер клетъчни органели, които съдържат ензими с роля в липидния метаболизъм при образуване на глюкоза от липиди. В тях се образува водороден пероксид, който на свой ред се превръща в кислород и вода под действието на ензима каталаза. Този ензим също може да използва водородния прекис за оксидиране на различни вещества в клетката - алкохол, пикочна киселина и други.
Покритите мехурчета са оградени с мембрана клетъчни органели, които имат овална или удължена форма. При метаболитно активни клетки са по-голям брой, като са групирани близо до функционално активния полюс на клетката. Тези органели съхраняват различни вещества, които са произведени в резултат на метаболитните процеси вътре в клетката или са попаднали навън чрез ендоцитоза. Участват и в рециклирането на клетъчните мембрани.
Схема на живата клетка с всички нейни клетъчни органели
Рибозомите са немембранни клетъчни органели, които са най-малките по размер. Те обаче имат изключително важна функция - в тях се извършва синтезът на белтъчни молекули, които са основните градивни единици на живата материя. Рибозомите могат да бъдат свързани с гранулирания ендоплазмен ретикулум или да са разположени свободно в цитоплазмата. Полизомите представляват свързани рибозоми по хода на веригата на молекулата на иРНК. Смята се че свободните рибозоми произвеждат белтъци, които са необходими за самата клетка, докато свързаните - секреторни белтъци. Съществуват и известни различия в строежа на рибозомите при еукариотните и прокариотните клетки - така например еукариотната рибозома е изградена от две субединици - голяма и малка, свързани чрез магнезиеви йони. Те могат да бъдат разделени при различни въздействия. Двете субединици имат различна седиментационна константа - тя се измерва в Сведбергови единици и цялата рибозома се утаява при 80 S. Голямата подединица се утаява при 60 S, а малката - при 40 S. При прокариотната клетка рибозомите са с малко по-различен строеж - по-голямата субединица се утаява при 50 S. Това е съществена разлика в обмяната на протеините - при блокиране на 50 S - субединицата на бактериалната клетка тя спира да синтезира протеини, докато еукариотните клетки (каквито са и човешките) фунцкионират нормално. Поради това рибозомите имат много голямо значение от клинична гледна точка - голяма част от антибиотиците въздействат върху 50 S - субединицата на бактериите и по този начин блокират протеиновия синтез на микроорганизмите. Това е само едно от многобройните доказателства за важността на теоритичната база в обучението на един бъдещ лекар - без стабилни теоритични познания няма как да има успешна практика в лечението на нито едно заболяване. Аминогликозидните антибиотици се свързват с 30 S субединицата на рибозомите на бактериалната клетка, разцепват я и по този начин подтискат началната фаза на елонгация. Тетрациклините пък подтискат свързването на тРНК към 30 S - субединицата на рибозомите и така също нарушават протеиновия синтез.
Цитоскелетът представлява комплекс от различни немембранни органели - миркотубули, цитофиламенти, клетъчен център, ресни и камшичета. Това са всъщност опорно - двигателните механизми на клетката и се виждат под светлинен микроскоп само когато са събрани в снопове. Срещат се и много спомагателни белтъци - те свързват отделните елементи на цитоскелета един към друг или към други клетъчни структури. Тези белтъци оказват влияние вурху скоростта и степента на полимеризацията или на движенията в клетката, което е свързано с хидролизата на АТФ.
Цитоплазмените включвания са вещества с различна химична природа, които се намират в клетката в морфологично установим вид. От тях най-често се срещат гликогенните зърна, липидните капки и различни видове пигменти. Пигментите се делят на екзогенни и ендогенни. Имат разноообразна химична структура - каротиноиди, хромолипоиди, меланин и пигменти с тетрапиролов пръстен.
Всички организми са изградени от едни и същи градивни единици наречени клетки. Някои организми са съставени само от една клетка (едноклетъчни) докато други от много клетки (многоклетъчни). При многоклетъчните организми има специализиране на отделните клетки към определена функция. Клетката е най-малката структурна и функционална единица на организмите. Всички организми са изградени от клетки; всяка клетка произхожда от друга клетка. Клетките са носители на всички функции на организмите както и на наследствената информация за организма. Всички клетки имат сходен строеж. Отвън са ограничени от клетъчна мембрана, която отделя вътрешността на клетката от околната среда, като контролира навлизането и излизането на вещества от клетката. Отвътре на мембраната е разположен колоиден разтвор, цитоплазма, която заема обема на клетката. Всяка клетка притежава собствена ДНК, наследствения материал, съдържащ информацията необходима за синтеза на собствените структури. Всички клетки споделят следните общи характеристики: възпроизводство чрез клетъчно делене (просто делене, митоза, мейоза или амитоза). Реализират генетичната информация съхранена в ДНК, чрез посредничеството на РНК до крайния функционално значим продукт протеин. Метаболизъм, приемат от околната среда вещества, които преработват и отделят в нея крайните продукти на тази преработка. Използват химическата енергия съхранена в тези вещества. Реагират в промени на параметрите на външната и вътрешната среда. Клетката е ограничена от клетъчна мембрана изградена от протеини разположени сред фосфолипиден бислой.
Група от специализирани клетки се нарича тъкан, като при животните има четири основни вида тъкан - епителна, нервна, мускулна и съединителна тъкан. Всяка една тъкан представлява биосистема с по-висша форма на клетъчна организация и функции. Общите закономерности в устройството и организацията на тъканите не са проста и сумарна изява на функциите на клетките, които ги изграждат, а качествено различни поради създалите се нови взаимотоношения между тях. Повечето определения за тъкан изтъкват че се касае за общност от клетки. През 1958 година Асен Хаджиолов дефинира тъканта като морфологично и функционално по-малка съставка на органите. Ю. И. Афанасиев и сътрудници през 1972 определят тъканта като филогенетично обособена система от клетки и неклетъчни структури, имащи еднакво устройство и специализирани да изпълняват еднакви или сходни функции. Според Михайлов и Катинас (1977) тъканта представлява самостоятелно ниво в йерархичната система на организма със свои закономерности на развитие. Тъканта като система има качества, които не съществуват в нейните елементи (клетките) и няма качества, които съществуват в системите от по-висш порядък - органите. През 1981 година Х. Кръстев определя че тъканите, образуващи органите, са еволюционно възникнали структурно, функционално и метаболитно интегрирани общности (биосистеми) от еднакви или сходно диференцирани клетки и междуклетъчно вещество, които имат сходна генеза, реактивност и регенеративни способности. Според П. Петков (1982) тъканите са групи от клетки и техните производни междуклетъчни структури, които изграждат органите на многоклетъчните организми, имат определена хистогенеза, обособени и специализирани са еднозначно в структурно, метаболитно и функционално отношение и са с подобни диференциационни и регенеративни способности.
Тъканната организация на клетките представлява важен етап в еволюцията на животните, защото способства за реализиране на клетъчната специализация и чрез нея - за прогресивното усложняване на устройството и функцията на организмите. Разбира се, тъканите не могат да съществуват самостоятелно и изолирано, а само интегрирани в йерархично в по-висши формации - органите и системите от органи. Те се намират в цялостния организъм в задължителна и непрекъсната сложна взаимовръзка и взаимозависимост.
Еволюционните принципи и теории в биологията приемат че в основата на възникването и развитието на тъканите стои диференциацията на клетките - разделението в структурата и функцията на отделните групи от тях. Без такова разделение многоклетъчната организация не би имала съществен смисъл. Съществуват някои общи функции, които се откриват при всеки един организъм:
бариерна функция - взаимоотношение между организма и външната среда. За да съществува един самостоятелен жив организъм, той трябва поне относително да бъде ограничен от заобикалящата го среда
осигуряване на относително постоянство на вътрешната среда
приемане на различни дразнения от средата около организма и провеждането им като възбудни процеси вътре в него
двигателна (локомоторна) функция
Съответно на тези четири функции в процеса на еволюцията са възникнали епителната (в комбинация със съединителната), кръвната, нервната и мускулната тъкан. За първи път френският анатом Ксавие Биша предлага през 1801 година разграничаването на различни видове структури в организма и именно той въвежда хистологичното понятие тъкан. Той въвежда цели 21 вида тъкани - въз основата само на макроскопски белези, тъй като този забележителен учен не е разполагал с микроскоп. По-късно, през 1819 година, Майер редуцира видовете тъкани до осем. През 1857 година Лайдиг въвежда класификация, според която има само четири вида тъкани и тази класификация се използва и до днес с известни изменения и допълнения. Като отделен вид понякога се определя репродуктивната (полова) тъкан, а кръвта в много класификации се причислява към съединителната тъкан.
Независимо от диференцирането си основните тъкани на организма имат няколко общи свойства. Такива са: регенерация (свойството да се възстановяват след износване или увреждане), хиперплазия и хипертрофия (способност за количествено свръхразрастване), метаплазия (свойството да променят характерни структурни белези вътре в границите на една основна тъкан) и неоплазия - способността да се израждат туморно, при което се формира неопластичен процес. Хипертрофия означава нарастване на тъканта за сметка на увеличаване на обема на отделната клетка, а хиперплазия - същото, но за сметка на увеличаване на броя на клетките.
Различните видове тъкан работят заедно. По този начин се формират органи, всеки от които е отговорен за конкретна функция. Така например изпомпването на кръв се извършва от сърцето, ограничаването от околната среда - от кожата, преработването на токсини и различни метаболитни продукти - от черния дроб и много други - всъщност малко системи в природата са по-сложни от организма на бозайниците. Органът е биологична структура изградена от тъкани и специализирани клетки изграждащи морфологично обособено структурно тяло за изпълняване на определени функции. Обикновено един или повече типа специализирани тъкани изграждат основната функционална единица, която се нарича паренхим, а асоциираните структурни тъкани групово се наричат строма - като последната почти винаги е изградена от съединителна тъкан. Според структурната организация на клетките и тъканите органите биват плътни, като кожата, панкреасът, черният дроб и мозъкът или кухи, като стомахът, сърцето, тънкото или дебелото черво, пикочният мехур и други.
Степента на сложност и специализация на органите зависи от еволюционното развитие на определения вид. При едноклетъчните организми няма органи; има сравнително високо организирани структури, обединени от обща функция, които са изградени от микроцелуларни образования и се наричат органели. При многоклетъчните органите са сложни и диференцирани групи от тъкани, съставени от паренхима и строма. Много от представителите на по-примитивните многоклетъчни нямат обособени органи; за същински органи може да се говори едва при плоските червеи и по-висши представители на царство животни. По-низщите таксони като Плакозоа, Порифера, Мешести и Радиата, не показват признаци на специализирани тъкани обособени в отделни органи. При водните гъби тялото е изградено от желатинозен мезохиал (или мезенхима), който е обхванат от две тънки клетъчни мембрани. Те имат групи специализирани клетки, които при нужда могат на ново да се предиференцират и преминат през мезохиала от едната обгръщаща мембрана до другата. При останалите по-висши животни такива клетки са недиференцирани (клонални). Единственият оцелял представител на Плакозоа е трикоплаксът (Trichoplax adhaerens), който е многоклетъчен трипластов (оттам и името) организъм, който няма обособени органи, а се храни с бактерии и други едноклетъчни, като напълно ги поглъща и разяжда със силни храносмилателни ензими в течната кухина между обгръщащите го мембрани.
Растенията също имат органи. Така например ризомата (коренът) на джинджифила е ароматна подправка. Перуниките са пример за вегетативно размножаващи се растения. Органите при растенията се разделят на две категории: вегетативни и размножителни. Вегетативните органи са корен, стъбло и листа. Всеки един от тези органи е съставен от растителни тъкани, характерни и диференцируеми под микроскоп. Стъблото например е съставено от три тъкани: епидермис, меристема и проводяща тъкан. От своя страна средният слой е съставен от три по-прости вида тъкани – паренхима, коленхима и склеренхима. И трите органа (корен, стъбло и листа) са свързани посредством цеви. Те са изградени от проводяща тъкан, която може да бъдат ликова (флоем) или дървесинна (ксилем). Органите на размножаването зависят от отдела на растението. За покритосеменните растения органите са цвят, семе и плод. При иглолистните органите за размножаване са шишарките и те биват мъжки (microstrobillus) или женски (macrostrobillus). При най-древната група растения – плауновидни, размножаването е чрез спори, които са малки по размер и добре защитени гаметофити. При мъховете гаметофорите носят половите органи – гаметангии; мъжките полови органи се наричат антеридии, а женските – архегонии. Мъховете преминават през сложен цикъл на хаплоидност във вегетативната си фаза и диплоидност в някои фази на размонжаването си. При рода Торфен мъх (Sphagnum) спорите се изстрелват от специализиран капсулен апарат с ускорение, което е 36 хиляди пъти по-голямо от гравитационното. При растенията, които се размножават вегетативно, органите за разможаване са съответнте растителни части, създаващи новата растителна колония. При васкуларните растения едни от най-важните органи са филизите и корените.
Паренхимът е основната работна част на всеки един орган, която отговаря за фунционалната му продукция. Така например паренхимът на панкреаса е отговорна за производството на инсулин, паренхимът на мозъка – за обработката на информация, паренхимът на черния дроб – за метаболизма на хранителните вещества, лекарства и токсини. Паренхимът на мозъка представлява обемът на бялото и сивото мозъчно вещество, докато кръвоносните съдове, краниалните нерви, синусите и вентрикулите са включени в състава на стромата. При сърцето основната структура е изградена от миокардни клетки, а стромата се състои от нервни влакна, съединителна тъкан, кръвоносни съдове, кръв и други.
Най-големият орган в човешкото тяло е този, който се вижда най-лесно – кожата. Тя заема от 6 % до 16 % от телесното тегло, като понякога достига дори до площ от 2 квадратни метра. Все пак площта на кожата при един човек със стандартно телосложение е от порядъка на 1.5 квадратни метра. Теглото на кожата при различните хора може да бъде дори до 10 килограма. Вторият орган по големина е черният дроб, който представлява приблизително 2.5 % от теглото на тялото. Той пък е най-големият вътрешен орган, което прави кожата най-големия външен. Кожата изпълнява изключително важна функция - поддържа телесната температура, предпазва организма от загуба на течности чрез изпарение и защитава другите органи от навлизане на бактерии. Тя е истински високопроизводителен и жизненоважен за нас орган, който никога не си почива (подобно на сърцето). Освен че произвежда витамин D, за да осигури калций на костите, тя е и сигурна защита срещу студа и вредните лъчи на Слънцето. Кожата има доста различна текстура и дебелина в различни части от тялото. Най-тънка е в областта на долните клепачи, а най-дебела е на дланите на ръката и на петите.
Най-големият плътен (паренхимен) орган в човешкия организъм е черният дроб. Освен по размер той е и най-тежкият орган - при възрастните тежи около 1600 грама. Най-дългата кост е бедрената кост - os femorale. Най-голямата артерия е аортата. Най-голямата вена е голямата куха вена. Най-дългият мускул е шивашкият мускул (m. sartorius) – погледнат отпред преминава диагонално от горния външен ъгъл на свивката на бедрото до вътрешната част на коляното. Най-дългият нерв е седалищният (n. ischiadicus), причина за често срещаното заболяване след средна възраст – ишияс. Седалищният нерв е и най-дебелият нерв в човешкото тяло, но следва да се има предвид че във вътрешността му преминава малка артерия и това силно увеличава дебелината на нервния ствол. Подобна артерия преминава и в центъра на зрителния нерв и поради това той също изглежда доста дебел. Условно най-силният човешки мускул е големият дъвкателен мускул (m. masseter) – той събира двете челюсти и е включен в състава на мускулите - затварячи на устата. Регистрирана е захапка от 4335 нютона, която е продължила 2 секунди и е записана в книгата на рекордите на Гинес. Все пак подобна сила на захапката е изключение и превишава около шест пъти нормалната човешка захапка - при нормални условия тя има сила около 90 N. Ако обаче се разгледа обема на работата, извършена от сърцето през целия живот на човека, или размера на очедвигателните мускули, както и мощността на матката по време на раждане, може доста да се спори относно силата и издържливостта на различните мускули. Най-малкият човешки орган е епифизата, която нараства само през първите две години на живота, а след това запазва стабилен размер до пубертета. След това жлезата бавно нараства по размери и тегло, предимно благодарение на калцификации - т.е. обемът на функционалния паренхим намалява за сметка на цялостното уголемяване на органа.
В музиката с термина орган се означава най-големият музикален инструмент, конструиран някога. Обикновено органът е голям колкото цяла сграда. Терминът има гръцки произход - όργανο означава инструмент или апарат. Органът е от групата на клавишно-меховите инструменти. Това е инструментът с най-голям тонов обем, с най-много възможности за избор на различни тембри и с най-големи физически изисквания към помещението, където е монтиран. Акустичната среда на този инструмент, за разлика от кавалетните инструменти, е целият архитектурен интериор, в който той се помещава. При проектирането и строителството често архитектурните решения на дадени сгради са съобразявани именно с това че в тях ще има поставен орган. Съвременните инструменти се състоят от клавиатури, на които се свири с ръце (мануали), и клавиатура от педали, задвижвана с краката на изпълнителя (педалиера). Обикновено органите имат от 2 до 4 мануала, но се срещат и изключения с 6 и дори 7 мануала. Този инструмент се е използвал често по време на състезания или представления в амфитеатрите и арените. Звукът на органа не се влияе от силата на удара, с които се натиска съответният клавиш (както е при пианото например) и прекъсва моментално - не отзвучава след като клавишът бъде освободен от изпълнителя. Органът се използва в католическата и в протестантската църковна музика, а по-късно добива популярност и в светската класическа музика. В днешно време инструментът може да бъде слушан при различни церемонии (литургии, сватби, тържества) на католически и протестантски църкви. Творчеството на бароковите композитори включва доста музикални произведения, изпълнени на орган. Сред тях най-значим е Йохан Себастиан Бах, който е бил член на Евангелската лутеранска църква. В съвременната авангардна и филмова музика често се използва орган, а в популярната музика - електронен орган.
Всеки орган свири с помощта на сгъстен въздух, който се подава към различни тръби. Тръбите издават звук подобно на звука на духовите музиклани инструменти. Шпилтишът (от немски: Spieltisch – маса за свирене, но също и за игра от глагола spielen) се нарича също конзола или пулт. При големите тръбни и електронни органи това е онази част от инструмента, на която са разположени мануалите, педалиерата, всички видове педали/клапи, регистровите ключове и скамейката. Мануалите са поставени стъпаловидно, един над друг и много приличат на клавиатура на пиано. Познати са с немските си наименования: (рюк)позитив (първият мануал), хауптверк (основният, втори), оберверк/швелверк (третият), брустверк (четвъртият) и т.н. Разпределението им е според звученето на регистровите групи. Например хауптверкът (от немски: haupt – основен) е основният мануал при всички органи. Той е с най-мощната и плътна звучност. Позитивът, наричан така поради сходната си звучност с ранните ренесансови инструменти, е с най-ярките и звучни, но в същото време не толкова силни регистри. Швелверкът е онзи мануал, към който принадлежи швелерът – при него има възможност за кресчендо и декресчендо. Регистровите ключове са разположени от двете страни или само от ляво на мануалите, а понякога и над тях при малките романтични органи. Броят и звученето им силно варират според предназначението и периода, през който е строен инструментът. При църковните органи обикновено броят на регистрите е около 20, а при концертните може да достигне до няколкостотин. Те могат да бъдат под формата на бутони, които по електронен път освобождават пътя на въздуха към избрания ред тръби (регистър) или като бутала, които се изтеглят и механично освобождават клапите. В основата на органа е педалиерата, на която се свири с крака. Над нея има една, две или повече клапи за контролиране на швелерите и/или валце (което освен под формата на клапа, може да бъде и вал). При по-съвременните инструменти може да има и бутони, чрез които органистът сам, с крак, включва запаметените Setzer комбинации - предварително запаметени от органиста набори от регистри. При някои по-малки разновидности на акустичните органи на мястото на педалиерата има две големи клапи, които са свързани с меховете и позволяват на органиста сам да си осигурява въздушната струя.
Думата система има множество значения и се използва изключително често в различни области на човешкото познание. Система в математиката се нарича пространство с участващите в него геометрични елементи - например координатна система. В социологията това е обществената система или устройство на обществото, в политологията това е обществен строй. В градоустройството това е пътна система, или система от свързани пътища. В по общ план, съвкупността от различни транспортни средства като коли, обществен транспорт и дори самолети се нарича транспортна система. Двете заедно образуват пътно-транспортна система. В логиката система се нарича множество от (логически) обекти и връзките между тях, които се разглеждат заедно, като едно цяло в рамките на една система. Една връзка може да свързва два или повече обекта. Тя може да бъде информационна, материална или енергийна. Съвкупността и вида на логическите връзки определя структурата на системата.
Теорията на системите ясно разграничава понятията криза и катастрофа. Кризата представлява настъпваща опасност от възникване на нестабилна ситуация, която може да доведе до провал. Кризата съдържа в себе си задаваща се опасност от разрушаване или разпад на системата. Катастрофата има други характеристики. Това е вече осъществил се провал, нещастие, което в своята първа фаза води до определена дисфункционалност на системата (нарушена функция). В случай че движението в негативна посока не бъде спряно, се стига неминуемо до фазата на разпад и унищожаване на системата - в медицината това много често означава и разпад на целия организъм, което на практика означава смърт.
В кибернетиката компютърна система е съвкупността от устройства и тяхното мрежово свързване, както и тяхната работа заедно - процесор, оперативна памет, дънна платка, графична карта, монитор и периферни устройства. Операционна система е основният компютърен софтуер, чрез който работи дадено устройство. Операционните системи биват два вида: неграфични (терминал) и графични, които имат и графична среда. През последните няколко десетилетия се използват основно графични системи, тъй като с тях се работи доста по-лесно и в същото време осигуряват повече възможности. Класическа неграфична система е DOS - съкращение от дискова операционна система, под която работеха повечето компютри до средата на 90-те години на ХХ век. Управлението на една произволна система се изучава в кибернетиката по три подхода:
класически йерархичен подход - първо се изучават елементите на системата - как те функционират, самостоятелно или заедно. Проучват се спецификите на тяхните функционалности, както и възможностите им за придобиване на нови функции
инженерно въвеждане на нови функционалности - най-общо учене в процес на работа. Въвеждат се нови елементи в системата или дори нови подсистеми на базата на желани функционални резултати. В съвременния забързан свят, в който непрекъснато се преследват крайни срокове, подобен подход се прилага изключително често
други типове подобряване на системата
Повечето системи (на едно равнище) имат някои общи характеристики. Те притежават специфична структура (която може да е проста или сложна) и която е определена от техните елементи, части, както и тяхното устройство. Системите притежават инженерно възложено поведение, тоест обичайно те не са хаотично работещи. Разбира се, в практиката се случва и една система да започне да работи хаотично. Работата със системите на базово (хардуерно) ниво включва вход (хардуерно включване на външни устройства като клавиатура, мишка), обработка (процесинг) на информация и изход (например на екрана). По същия начин протичат и производствените процеси - и при тях има вход (внасяне на суровина или заготовки), обработка и изход на материали, енергия или готово изделие. При производството на електроника и компютри това може да включва освен хардуерното ниво и ниво на операционните системи и предварителмо инсталирани приложения и помощни файлове. Системите (особено компютърните и дигиталните) притежават характеристики като взаимосвързаност, а различните части на системата са свързани както функционално, така и структурно помежду си. Системите притежават самостоятелни функции, а при по-сложно устроените са налични няколко или дори повече групи от функционалности.
В биологията и екологията също се разглеждат и изучават различни видове системи. Отворена система е такава, която лесно може да придобива нови членове - например мигриращи птици. Отворената система понякога се възприема като по-чувствителна и повлияваща се от външни фактори (фактори извън определената за системата граница). Това твърдение е валидно с особена сила в областта на социологията. Затворена система е тази, при която трудно могат да се въвеждат нови членове - например при глутниците от вълци. В най-общия случай затворената система доста трудно се повлиява от външни фактори.
Различават се още икономически и политически системи. Политическа система и държавен строй са подобни, но не винаги еднозначни понятия. В икономическата област под динамична система се разбира система, която търпи динамика и развитие - полезно развитие на обществото и неговата икономика, като понякога е твърде относително кое точно представлява полезно и за кого. В България 45 години се говореше за Грижата на Партията за човека, но някои дисиденти основателно зявяваха че дори и името му знаят на този Човек, за когото се грижи Партията. Съществуват и статични икономически системи, които обаче не са особено устойчиви на външни въздействия поради ниската си адаптивност. Социалистическата икономика беше именно такава статична система, която логично и закономерно накрая достигна до пълен фалит.
Съществуват също така математически, физични, както и понятийни и идейни системи. Физичните системи са интегрални системи от постоянна или варираща, плавно пространствено съотнесена или определена от изграждащите елементи енергия, както и материя. Идейните системи се състоят от философски или инженерни, научни идеи. Научните и особено инженерните идейни системи са предназначени основно за осъществяване на специфични иновации и иновативни цели или за да могат да се използват като модел при работата на физични системи.
Различните органи в човешкия организъм много често имат отношение към една и съща функция. По този начин се формират системи от органи - например храносмилателна и отделителна система. Под апарат пък се разбира набор от структурно свързани органи с еднаква функция, които оперират синхронизирано - например вестибуларен апарат, говорен апарат, двигателен апарат и други. Най-общо апаратът обхваща един или два органа и има по-ограничени функции, докато системата е нещо доста по-сложно, обхваща повече на брой органи, понякога доста отдалечени един от друг. Някои органи могат да функционират привидно самостоятелно, но са с взаимосвързани функции и също изграждат системи. Съвкупността от кръвоносните съдове и сърцето представлява сърдечно-съдовата система; устата, хранопроводът, стомахът, червата и други изграждат храносмилателната система; най-общо мозъкът и нервните влакна - нервна система и т.н. Човешкият организъм притежава няколко органови системи:
Дихателна система
Ендокринна система
Имунна система
Костна система
Лимфна система
Мускулна система
Нервна система
Отделителна система
Покривна система
Полова система
Сърдечно-съдова система
Храносмилателна система
Целостта на организма представлява неговото анатомично и функционалното единство, осъществено от строгата съгласуваност в жизнената дейност на всички клетки, тъкани, органи и системи. При животинските организми това се постига чрез дейността на нервната система, която свързва и обединява всички живи елементи на организма в единно цяло, като ги уравновесява с външната среда. В дейността на нервната система се включва и регулираната от нея ендокринна система (нервнохуморална регулация), която излива продуктите си в кръвта и по кръвен път пренася влиянието на нервната система върху различните телесни състави и функции. Нервната система получава информация от вътрешната и външната среда чрез интерорецепторите и екстерорецепторите; в кората на главния мозък се образуват програмите, а чрез обратна връзка се осигурява тяхното изпълнение, управление и регулация. По този начин всеки един жив организъм представлява самостоятелна единица (индивид) и като такъв има относителна автономност. По този начин индивид е понятие, с което се изразява единица живо същество. То може да бъде както човек, така и друг биологичен вид - растение, животно, гъба или микроорганизъм. В психологията индивидът е носител на лични качества, които изграждат неговата индивидуалност. В социологията противоположно понятие на индивид е понятието общество, а в биологията - популация, разгледано в следващата секция на настоящата страница. Индивид е всяко отделно живо същество, като цялостен организъм, разглеждан в различни аспекти. Индивид е конкретният човек, като биологичен вид с определени природни свойства, също така и като единица от обществото. Съвкупността на индивида включва и сложни индивидуални особености, които се проявяват в най-интегративна форма във вид на темперамент и заложби.
Популацията е група индивиди от един биологичен вид, които населяват трайно част от ареала на вида, имат сходни екологични изисквания, кръстосват се свободно помежду си и оставят плодовито поколение. Демографската структура на популацията се определя от нейния възрастов и полов състав. Възрастовият състав се определя от броя на индивидите в различните възрастови групи. Те са три вида: млади, полови зрели и стари. Млади са индивидите, които все още не участват в размножаването на популацията; полово зрели са индивидите, които участват в размножаването; стари са индивидите, които поради възрастови физиологични изменения вече не участват в размножителния процес. От количественото съотношение между индивидите от тези три групи зависи стабилността и бъдещето на популацията. При растенията обикновено има и четвърта група, която е латентна. Към нея се отнасят семена, плодове, спори и др. В популациите броят на полово зрелите индивиди е почти постоянен. Когато броят на младите е по-голям от броя на старите, популацията се нарича нарастваща. Когато броят на младите и старите е приблизително еднакъв, популацията се определя като стабилна, а когато броят на младите е по-малък от броя на старите, популацията е намаляваща. Намаляващите популации имат малки шансове за оцеляване.
Полов състав на популациите имат само видовете, които са разделнополови. Такива са повечето животни и много малък брой растения (например дървото топола). В популациите на животинските видове, в зависимост от съотношението между мъжките и женските индивиди в групата на полово-зрелите, се различават моногамни, полигамни и полиандри видове. При моногамните видове съотношението между мъжките и женските индивиди е 1:1 – такива са щъркелите, лебедите, лъвовете, вълците. При полигамните видове женските индивиди са повече от мъжките – повечето копитни. При полиандрите мъжките индивиди са повече от женските – пчели и мравки.
Пространствената структура на популацията характеризира разпределението на индивидите върху територията, която се обитава от групата. Това разпределение може да бъде: случайно – наблюдава се при липса на враждебни взаимоотношения между индивидите и когато почти няма разлика в условията за живот в различните части на територията; равномерно – възможно е само когато индивидите са във враждебни взаимоотношения, а екологичните условия са еднакви във всички части на ареала; групово – среща се най-често и е резултат от различия в условията за живот в отделните части на територията. Териториалната структура на растенията се формира поради засенчване на едни от други видове или при отделяне на алопатични вещества. При висшите животни териториалната структура се формира на основата на инстинктите, които са ръководещи. Това важи и за земноводни и безгръбначни с по-сложна нервна система. Членовете на популацията контактуват чрез система от различни сигнали или непосредствено, на границата на ареала. Опазването на територията става чрез агресия, ритуално поведение на заплаха, маркировки и други сигнали. Интересна е маркировката на котките и мечките по края на територията – чрез драскотини по дърветата. Друг тип маркировка се среща при птиците – акустична, а други животни маркират територията си чрез секрети от някои жлези – феромони и телергони. На частта от територията, която е за общо ползване агресията е снижена. Пространствената структура при животните се определя от две техни свойства: способността им да се движат и способността им да общуват помежду си. Начинът по който това става е различен при различните видове. При растения и прикрепени животни това се осъществява с помощта на вятъра и водата. При всички видове се среща общуване чрез химични вещества, а при висшите се развива обонятелна и вкусова система. Използват се мимики, движения, звукова сигнализация, оптична сигнализация. При делфини и прилепи се среща ехолокация, а при някои риби – електрическа сигнализация. Пространствената структура се различава при различните видове, дори в рамките на един и същ вид, в зависимост от сезона, възрастта и пола. При равномерното и случайното разпределение се избягва конкуренцията, а при груповото разпределение (характерно за животни) се подобрява защитата, повишава се жизнеспособността и по-успешно се намира храна.
Генетичната структура на популацията се определя от различията между индивидите в нея. Колкото индивидите са по-разнообразни според вида на белезите, които имат, толкова вероятността за оцеляване на популацията при промяна в условията на средата е по-голяма. Някои случайни мутации (промени в генотипа) водят до по-добри способности за приспособяване на индивидите към околната среда.
Терминът биоценоза има старогръцки произход - от био – живот и ценос – общество. Биоценозата представлява съвкупност от популации на различни видове, обитаващи трайно дадена територия (биотоп) и намиращи се в непрекъсната връзка едни с други. Понятието биоценоза е въведено от немския учен Карл Мьобиус през 1877 година. При изучаване на съобщества от стриди в Северно море той обърнал внимание на факта че отделните индивиди живеят не само при определени условия на външната среда, но и че те винаги се срещат в съобщества с други организми, които имат сходни изисквания към средата. Мьобиус дава следното определение: биоценозата – това е съобщество от живи организми, съответстващо по своя състав, брой на видове и индивиди при определени оптимални условия на средата, съобщество, в което организмите са взаимно свързани и зависими и се запазват в определени места благодарение на постоянно размножаване.
Биоценозите се характеризират с количествен и видов състав. Обикновено дребните организми съставляват най-голямата част от биомасата на ценозата, но често характерът на една биоценоза се определя от малко видове организми, които са най-многобройни или са най-едри. Това са така наречените доминантни видове. Например обликът на ливадните биоценози се определя от тревистите растения, на буковата гора от бука и т.н. Според критериите на Скуфин, въведени през 1949 година, видовете се разделят на няколко групи, основани на тяхното относително изобилие в биоценозата:
доминантни – над 8 % от общата численост на всички видове
субдоминантни – 2 – 8 %
малочислени – 0.5 – 2 %
редки – под 0.5 %
Биоценозата може да се разглежда като съставена от:
Фитоценоза - от растителни видове (от гръцки фитос – растение). Това е част от биоценозата, в която се включват всички растения от даден биотоп – дървета, храсти, лишеи, мъхове. Растенията поемат и преработват слънчевата светлина и неорганичните вещества от водата и почвата и създават органични вещества. Поради тази своя роля растенията се наричат продуценти. Именно поради този факт растенията имат ключова рола за живота на земята - всички органични вещества, с които останалите живи организми се хранят, в крайна сметка са синтезирани от някое растение по хода на хранителната верига
Зооценоза - състои се от животински видове (от гръцки зоо – животно). Включва всички гръбначни и безгръбначни животни, които населяват даден район. Те консумират органичните вещества и така осигуряват своето размножаване и развитие. Определят се като консументи, а човекът според всички изследователи е най-голямият консуматор на ресурси на планетата Земя
Микробоценоза - състои се от микроорганизми (от гръцки микро – представка за малък). Това общество представлява съвкупност от всички микроорганизми – бактерии, едноклетъчни и много други, които се срещат в даден район. Те много често разграждат органичните вещества от растенията и животните и са в ролята на редуценти
Микоценоза - включва всички видове гъби (от гръцки микос - гъба). Те също изпълняват функцията на редуценти.
В биоценозата всеки вид заема различна екологична ниша. По този начин в една зряла биоценоза междувидовата конкуренция е сведена до минимум. Поради това се обуславя трофична (хранителна) и пространствена структура на биоценозата. Различните видове организми встъпват в специфични хранителни взаимоотношения - някои синтезират органична от неорганична материя, други използват първите за храна, а трети след смъртта на двете групи разграждат мъртвата органична до неорганична материя. Така се образуват трофични нива на продуцентите, консументите (обикновено са две или три, рядко повече) и редуцентите. Всяка биоценоза има такава трофична структура, която осигурява извършването на кръговрат на веществата. Така биоценозата има относителна независимост от други ценози.
Пространствената структура на биоценозата представлява пространственото разпределение на организмите в биотопа и съответствщите им взаимоотношения. Тя е добре изучена при фитоценозите и незадоволително при зоо- и микробоценозите. Структурата при фитоценозите бива вертикална (етажна) и хоризонтална. Вертикалната структура е подчинена на няколко екологични фактора – светлина, почва, вода. Всяка фитоценоза се характеризира с различен брой етажи: на мъхове и лишеи, на тревите, на храстите, на дърветата. Етажното разпределение има йерархичен характер – доминиращите видове са най-високо. Хоризонталната структура е разделена на части, наречени синузии. Синузиите представляват екологично и пространствено обособена част на фитоценозата, състоящи се от един или няколко близки вида, свързани помежду си с общи изисквания към средата - синузия на черния бор, на червената боровинка и т.н. Различават се по видов състав, количествено съотношение на отделните видове, продуктивност и други. Синузиите се обуславят от релефа, почвата, етажността, като може да възникнат под влияние на животните или човека.
Според разнообразието на видове в биоценозата тя бива проста или сложна. Според произхода си биоценозите се делят на естествени (възникнали по пътя на развитието на организмите) и изкуствени (създадени от човека). Според пространствения си обхват биоценозите биват: макробиоценози (поляна, езеро, гора и т.н.) и микробиоценози (така наречените микроекологични ниши - микрофлора на устната кухина, на белия дроб, на стомашно - чревния тракт и други).
Взаимоотношения между популациите в биоценозата се делят на вътревидови и междувидови. Вътревидови взаимоотношения са сътрудничество, брачно поведение, конкуренция и антагонизъм. Междувидови са също няколко типа:
неутрализъм – индивидите от двата вида не влизат по никакъв начин във взаимоотношения
конкуренция – индивидите от двата вида губят от взаимоотношенията си взаимно се подтискат
аменсализъм – индивидът от едната популация губи, а за другия взаимоотношението е безразлично
експлоатация – единият индивид губи, а другият печели от взаимоотношението - хищничество и паразитизъм
коменсализъм – единият индивид извлича полза, а за другия взаимоотношението е безразлично
мутуализъм – индивидите от двата вида имат полза от взаимоотношението
Екосистемата представлява биосистема, съставена от съвместно функциониращи живи организми или биотично съобщество (биоценоза) на дадена територия (биотоп), което взаимодейства с физическата среда по такъв начин, че се осъществява кръговрат на веществата и чрез потока на енергията се създава ясно определена биотична структура. Припокрива се с понятието биогеоценоза + участък от земната повърхност (или още по-точно - геобиоценоза). Или с други думи, екосистемата е съвкупност от биоценоза и биотоп, които си взаимодействат по между си. Понятието е въведено през 1935 година от английския еколог и ботаник Артър Тенсли.
Глобалната планетарна екосистема се нарича биосфера и може да се разглежда като съставена от четири сфери – биосфера, литосфера, хидросфера и атмосфера. Основен принцип, който управлява функциите на биосферата е принципът на ограничаващите (лимитиращите) фактори. Този принцип е израз на съвместното действие на екологичните фактори, тъй като те си взаимодействат. Нивото на жизнената дейност на организмите се определя от онзи екологичен фактор, който е в минимално количество спрямо останалите, т.е. най-далеч от своя оптимум.
Основен източник на енергия за всяка екосистема е Слънцето, чиято енергия се преработва от автотрофните организми, наречени продуценти. Екосистемите имат ясно изразена вертикална структура за пълно усвояване на слънчевата енергия. Видово разнообразие на фитоценозите и зооценозите. Биотопът и биоценозата се намират в такова единство, което осигурява преминаването на материя и енергия през звената на екосистемата. Звената на биоценозата са продуцентите, консументите и редуцентите. Те може да бъдат наречени още трофични или хранителни звена.
Екосистемата е относително самостоятелна структура на живата материя - част от макроструктурата биосфера. В екосистемата се извършват определени процеси, свързани с пренос и трансформация на материя, при която се изразходва енергия. Този процес на трансформация и пренос на материя се осъществява от биоценозата. Тя има възможността за това благодарение на морфологичната си структура. Процесите на трансформация и пренос на материя, за протичането на които се изразходва енергия, се наричат функциониране на екосистемата.
Първата основна функция на една екосистема е движението на енергия и вещества. Придвижването им през отделните биочасти (трофични звена) на екосистемата става чрез хранителните взаимоотношения, които се изразяват в хранителни вериги и хранителни мрежи. Хранителната верига представлява последователност от трофични звена (биотоп-продуценти-консументи-редуценти-биотоп), през които последователно преминава материята. Основна съставна част са продуцентите (организми, които самостоятелно с помощта на неорганични вещества и енергия синтезират органични вещества), следвани от консументите (организми, които не могат да синтезират самостоятелно органични вещества от неорганични, но само ги потребяват и преобразуват за собствени нужди). Възможно е в една трофична верига да присъстват и организми, които се хранят с мъртви органични вещества - така наречените детритофаги, които понякога могат да бъдат и редуценти - третата функционална група организми в структурата на екосистемата, която преработва синтезираните органични вещества от органични в неорганични. Така съществуват два вида хранителни вериги: пасищна и детритна, в зависимост от това какъв е типът на веществата в началото на веригата. При пасищната хранителна верига в началото стои продуцент, който най-често е зелено фотосинтезиращо растение. След него следва консумент от първи ред (най-често растителнояден организъм), след това консументи от втори порядък или организми, хранещи се с първични консументи, консументи от трети порядък и т.н. При детритната хранителна верига началото е поставено от детрит (мъртви органични вещества), последван от детритофаги или редуценти, а след тях са наредени консументи - животни, които изяждат детритофагите.
Поради сложността на хранителните взаимоотношения в една екосистема в естествени условия трофичните взаимоотношения се изразяват под формата на трофична мрежа. Това е съвкупност от хранителните вериги в рамките на една екосистема. Този тип на изразяване на връзките се налага поради факта че повечето организми се хранят с повече от един вид. Така хранителните източници на даден вид могат да бъдат както продуценти, така и консументи от различен порядък. Съгласно втория принцип на термодинамиката, преносът на енергия между членовете на хранителната верига не може да бъде 100 %. Автотрофните организми, каквито са зелените растения имат най-общо ефективност на използване на енергията под 1% т.е. само 1% от достъпната за тях слънчева енергия се преобразува в химична енергия на създаваната от тях биомаса. Останалите 99 % се излъчват обратно в атмосферата като отработени газове и топлина. Животните от своя страна задържат само 10 % от енергията, която са поели при храненето си. Останалите 90 % се излъчват в дишане и отделяне на несмлени фекални остатъци. Последните са храна за разложителите, с което обезпечават енергия за тях, но която губят при своето дишане като топлинна енергия. В последна сметка цялата енергия постъпваща в екосистемата (биосферата) се губи като топлина.
Горните положения показват че ниската ефективност на енергоползването при организмите изисква постоянно добавяне на енергия - т.е. всички живи същества се хранят, за да преживяват. Много малка част от оригиналната енергия, фиксирана в продуцентите остава в по горните звена на хранителната верига. Например 100 килограма люцерна произвеждат 10 килограма говеждо месо, от който на свой ред ще се произведе само 1 килограм мускулна маса на човек, и то при идеалните условия. Всичко това означава че в рамките на единица площ се намира само ограничено количество енергия за организмите върху нея. Това количество енергия може да се раздели на минимума енергия нужна на индивида, при което се получава броят на индивидите, които е възможно да преживеят върху този ареал - капацитет на преживяване. По този начин се изчислява броят на организмите, които единица площ може да изхрани без да разруши продължителната способност на земята да снабдява живата материя с хранителна енергия. На планетарно ниво този принцип означава че Земята може да осигури изхранването само на ограничен брой консуматори.
Възможно е човек може да промени своя капацитет на преживяване като се предвижи от месоядно към тревоядно ниво и по този начин да скъси едно от неефективните звена на хранителната си верига. В сгъстените части на света (например в Югоизточна Азия) храната се състои почти изцяло от ориз и малко риба като протеиново допълнение. Очевидно азиатците не могат да си позволят да загубят тези 90 % от енергията, която се губи между тревоядните и месоядните консуматори. Капацитетът на преживяване може да се определя и от други фактори на средата освен енергията. Известно е, че ресурсите на земята са ограничени. Нейните резервоари съдържат крайни количества от вода, минерали, изкопаеми горива и други невъзобновими ресурси. Нуждата от жизнено пространство е друг начин за установяване на капацитета на преживяване. В опити с мишки е показано, че при всякакви други оптимални условия (храна, вода и др.), голямата плътност от мишки в затворено пространство е ограничаващ фактор, генериращ редица ненормални симптоми – загуба на майчинско чувство, канибализъм в младите плъхове и хомосексуализъм при мъжките екземпляри.
Продуктивност на екосистемите е количеството органично вещество, произведено за единица време. Продуктивността зависи от скоростта, с която фитоценозата усвоява светлинната енергия при процеса фотосинтеза. Описани са три основни вида продуктивност - обща първична, чиста първична и вторична продуктивност. Втората основна функция на екосистемата е кръговратът на веществата между четирите сфери на огромната планетна екосистема. Тези вещества, между многото компоненти на средата, включват главно кръговратите на въглерода, кислорода, азота и водата.
Биосферата е съвкупност от части на земната обвивка – атмосфера, хидросфера, литосфера и педосфера, в които има живи организми, която се намира под тяхно въздействие и в която се отлагат продуктите от жизнената им дейност. Терминът биосфера е предложен от австрийския учен Едуард Зюс през 1875 г. През 1926 г. съветският академик Владимир Вернадски създава учението за биосферата, като сфера, където съвкупната дейност на живите организми и човека се появява като много важен фактор с планетарно значение. Биосферата може да се разглежда като огромна екосистема. Отличава се с пълната си независимост по отношение на материята, тъй като в нея се извършва изцяло биогенният кръговрат на веществата. Биосферата е най-интензивно развита на границата между отделните земни обвивки. Такива гранични зони са почвата и повърхностните слоеве на водата.
Класификацията на организмите е обширна тема, която трудно може да се обхване в рамките на една статия. Според множество от своите характеристики и особености организмите се поделят на различни подгрупи с цел по-лесното им изучаване, откриване на общи закономерности и установяване на техните взаимовръзки. Според консумацията на кислород организмите се делят на аероби и анаероби. При първите метаболизмът е зависим от използването на кислород. Повечето днес живеещи организми са аероби. Анаеробите не се нуждаят от кислород, а в повечето случаи той е силно токсичен за тях. Преди появата на процеса фотосинтеза и насищането на земната атмосфера с кислород всички съществуващи организми са били анаероби. Днес те се срещат изключително рядко поради повсеместното разпространение на кислорода, като обитават крайно неприветливи хабитати. Заради тази си особеност често голяма част от тях се наричат екстремофили. Факултативни анаероби са организмите, способни да съществуват както в присъствието така и в отсъствието на кислород. Такива са бирените дрожди.
Според източника на енергия за жизнените си процеси организмите се делят на
1. Автотрофи – те са способни сами да си набавят необходимата им енергия от околната среда, според източника ѝ се делят на:
фотоавтотрофи – извършват процеса фотосинтеза използвайки слънчевата енергия за производството на органични съединения от неорганични. Към тази група спадат всички зелени растения, водораслите, синьо-зелените бактерии и други
хемоавтотрофи – за да поддържат жизнените си функции използват енергията освободена при окислението на различни вещества като сероводород, метан, сяра и други. Представителите на тази група са изключително микроорганизми, предимно бактерии и архебактерии
2. Хетеротрофи – получават готови органични съединения за сметка на автотрофите. Тук спадат всички животни, гъби както и редица представители на първаците. Хетеротрофите биват:
свободно живеещи – такива, които използват готова органична материя, продукт на други организми, които са загинали или загиват непосредствено след акта на приемана на органичната материя
паразити – използват органична материя от живи организми, при ковро нанасят вреда.
Описани са и различни методологии за класификация на живите организми според техните анатомични и физиологични особености. През различните векове са правени опити да се въведе различна таксономия, като в момента най-общо живите организми са разделени на пет големи царства: вируси, бактерии, животни, растения и гъби. Някои от тези царства са обединени в надцарства или империи - като двете големи империи са прокариоти и еукариоти в зависимост от това дали клетката има оформено ядро или нейната ДНК е разпръсната свободно в цитоплазмата. Вирусите не попадат в нито едно от тези надцарства; прокариотите включват царство бактерии и царство археа, докато еукариотите - царство животни, растения, гъби и първаци (протозои).
Вирусите са особена категория, защото не се приемат като организми, тъй като не са способни на самостоятелно „размножаване“ (мултиплициране), както нямат и собствен метаболизъм. Това поражда извести спорове, тъй като са известни клетъчни организми неспособни да съществуват самостоятелно, но те все пак имат собствен метаболизъм и репродукция. Вирусите са облигативни вътреклетъчни паразити. Въпреки че притежават собствена генетична информация и кодират някои уникални ензими, те нямат характеристиките на живите създания, защото не притежават функционален генетичен апарат, липсва собствен белтък-синтезиращ апарат и нямат собствен метаболизъм. Тези им характеристики са несъвместими с представите ни за организъм, а те съществуват и се мултиплицират окупирайки генетичния и белтъчния апарат на клетката гостоприемник. В този контекст те са по-близо до неживата природа. Въпреки това вирусите притежават собствен геном, който се подчинява на общите принципи за наследственост, изменчивост и еволюция. Всички тези факти взети заедно правят поставянето им сред живите организми твърде условно и дискутируемо.
В биологията, според теорията на универсалния общ произход, всички организми на Земята са потомци на общ предшественик или общ генетичен пул. Доказателства за общия произход могат да се открият в особености споделяни от всички живи организми. Днес, все още има дебат около това, дали всички организми произхождат от общ предшественик известен и като „последен универсален предшественик“. Универсалността на генетичния код предполага и общ произход. Така например всички организми използват нуклеиновите киселини за да кодират наследствената си информация, както и универсални 20 канонични аминокиселини са изграждането на протеините. Хипотетично филогенетично дърво на всички съществуващи организми, на базата на секвенцията на 16S гена на рРНК, показващо еволюцията на трите организмови свръхтаксона, бактерия, археа и еукариоти. Предложено от Карл Уоуз. „Последният универсален предшественик“ или „Последният общ универсален предшественик“ е име, което се дава на хипотетичен едноклетъчен организъм, от когото са се развили всички видове живот по земята, съществувал преди около 3.5 до 3.8 милиарда години. Тази хипотеза, обаче, среща редица трудности и опровержения, като например универсалността на генетичния код, при който, са открити много вариации, в това число и алтернативно митохондриално кодиране.
Кварк
Субатомна частица
Атом
Молекула
Органела
Клетка
Тъкан
Орган
Система
Индивид
Популация
Биоценоза
Екосистема
Биосфера
Класификация на организмите
Вирус
Произход на организмите