Тема закономерности, характеризующие жизнь, ее основные формы (2 часа)

1. 
   Свойства живого.
   
2. 
   Уровни организации живого.
   

Принято выделять три основных закономерности, характеризующих жизнь: самообновление, самовоспроизводство, саморегуляция. В основе самообновления лежат потоки вещества и энергии; в основе самовоспроизводства - преемственность сменяющих друг друга генераций биосистем; саморегуляция базируется на потоках вещества, энергии и информации.

Приведенные закономерности определяют основные свойства живого: самовоспроизведение (репродукция), специфичность организации, упорядоченность структуры, целостность и дискретность, рост и развитие, обмен веществ и энергии, наследственность и изменчивость, раздражимость, движение, внутренняя регуляция, специфичность взаимоотношений со средой.

Кратко определим суть каждого свойства:

Таким образом, клетка является изотермической системой. Между ассимиляцией (анаболизмом) и диссимиляцией (катаболизмом) существует диалектическое единство, проявляющееся в их непрерывности и взаимности. Потенциальная энергия поглощаемых клетками углеводов, жиров и белков превращается в кинетическую энергию и тепло по мере превращения этих соединений.

В живых клетках энергия, полученная из внешней среды, накапливается в виде АТФ (аденозинтрифосфат). Теряя концевую фосфатную группу (при передаче энергии другим молекулам) АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат). В свою очередь, получая фосфатную группу (за счет фотосинтеза или химической энергии), АДФ может снова превратиться в АТФ, т.е. стать главным носителем химической энергии. Такие особенности у неживых систем отсутствуют.

Обмен веществ и энергии в клетках ведет к восстановлению (замене) разрушенных структур, к росту и развитию организмов.

Обмен веществ обеспечивает аутообновление и аутовоспроизводство биосистем, открытых по веществу и энергии. Окружающая среда влияет на организм, но и живая система в результате своей жизнедеятельности изменяет окружающую среду.

Наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает материальную преемственность между родителями и потомством, между поколениями организмов, что в свою очередь обеспечивает непрерывность и устойчивость жизни. Основу материальной преемственности в поколениях и непрерывности жизни составляет передача от родителей к потомству генов, в ДНК которых зашифрована генетическая информация о структуре и свойствах белков. Характерной особенностью генетической информации является ее чрезвычайная стабильность.

Изменчивость - свойство, противоположное наследственности, связанно с появлением у организмов признаков, отличных от исходных определяется изменениями в генетических структурах. Без изменчивости эволюция органического мира была бы невозможна, новые признаки захватываются и закрепляются естественным отбором, так появляются новые формы, новые виды.

У организмов, лишенных нервной системы (простейшие и растения), раздражимость проявляется в виде тропизмов (притяжение), таксисов (двигательные реакции в ответ на односторонне действующий стимул, свойственные свободно передвигающимся организмам, некоторым клеткам и органоидам) и настий (неростовые движения дорзовентральных органов растения в ответ на ненаправленное действие факторов среды (температура, свет), например открытие и закрытие цветков). У организмов, имеющих нервную систему, раздражимость проявляется в виде рефлекторной деятельности. У животных восприятие внешнего мира осуществляется через первую сигнальную систему, тогда как у человека в процессе исторического развития сформировалась еще и вторая сигнальная система (речь - специальный тип высшей нервной деятельности человека, система «сигналов сигнал», идущих от общей с животными первой сигнальной системы — ощущений, представлений, относящихся к окружающему миру).

Благодаря раздражимости организмы уравновешиваются со средой. избирательно реагируя на факторы окружающей среды, организмы «уточняют» свои отношения с ней, в результате чего возникает единство среды и организма.

Движение. Способностью к движению обладают все живые существа. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительные клетки и др.), а также некоторые клеточные органеллы. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц.

Внутренняя регуляция. Процессы, протекающие в клетках, подвержены регуляции. На молекулярном уровне регуляторные механизмы существуют в виде обратных химических реакций, основу которых составляют реакции с участием ферментов, обеспечивающие замкнутость процессов регуляции по схеме синтез-распад-ресинтез. Синтез белков, включая ферменты, регулируется с помощью механизмов репрессии (подавление синтеза ферментов), индукции (взаимодействие процессов возбуждения и торможения) и позитивного контроля. Напротив, регуляция активности самих ферментов происходит по принципу обратной связи, заключающейся в ингибировании конечным продуктом. В регуляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию.

Любое повреждение молекул ДНК, вызванное физическими или химическими факторами воздействия, может быть восстановлено с помощью одного или нескольких ферментативных механизмов, что представляет собой саморегуляцию. Она обеспечивается за счет действия контролирующих генов и в свою очередь обеспечивает стабильность генетического материала и закодированной в нем генетической информации.

Обобщая сведения о свойствах живого, можно заключить, что клетки представляют собой открытые изотермические системы, которые способны к самосборке, внутренней регуляции и к самовоспроизведению. В этих системах осуществляется множество реакций синтеза и распада, катализируемых ферментами, синтезируемыми внутри самих клеток.

Свойства, перечисленные выше, присущи только живому. Между свойствами, характеризующими живое, существует диалектическое единство, проявляющееся во времени и пространстве на протяжении всего органического мира, на всех уровнях организации живого.

2. 
   Уровни организации живого
   

Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые в процессе метаболизма превращаются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы с большой молекулярной массой. На этом уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

Физико-химическая специфика этого уровня заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом и азотом. Из групп атомов образуются молекулы, а из последних формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Большинство этих соединений в клетках представлено нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров, и соединения последних в определенном порядке.

Все макромолекулы универсальны, т.к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности. Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из 4 известных (аденин, гуанин, цитозин и тимин), вследствие чего любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и вторичная структура молекулы ДНК. В состав большинства белков входит 100-500 аминокислот, но последовательности аминокислот в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными.

Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные структуры, примерами которых являются нуклеопротеиды, представляющие собой комплексы нуклеиновых кислот и белков, липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков).

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают другие биологические молекулы. Углеводы и липиды являются важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды в виде стероидных гормонов имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что процессы биосинтеза осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нуклеиновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти мутации изменяют последовательность азотистых оснований в молекулах ДНК.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул – в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ. Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей в работу – механическую, электрическую, химическую, осмотическую, механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), т.к. являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной» химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Клеточный уровень. Главнейшая специфическая черта этого уровня заключается в том, что с него начинается жизнь. Этот уровень представлен клетками, действующими в качестве самостоятельных организмов (бактерии, простейшие), а также клетками многоклеточных организмов. Будучи способными к жизни, росту и размножению, клетки являются основной формой организации живой материи, элементарными единицами, из которых построены все живые существа (прокариоты и эукариоты). Между клетками растений и животных нет принципиальных различий по структуре и функциям. Некоторые различия касаются лишь строения их мембран и отдельных органелл.

Специфичность клеточного уровня определяется специализацией клеток, существованием клеток в качестве специализированных единиц многоклеточного организма. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени, что связано с приуроченностью функций к разным субклеточным структурам. Например, у клеток эукаритов значительно развиты мембранные системы (плазматическая мембрана, цитоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс) и клеточные органеллы (ядро, хромосомы, центриоли, митохондрии, пластиды, лизосомы, рибосомы).

Мембранные структуры являются «ареной» важнейших жизненных процессов, причем двухслойное строение мембранной системы значительно увеличивает площадь «арены». Кроме того, мембранные структуры обеспечивают отделение клеток от окружающей среды, а также пространственное разделение в клетках многих биологических молекул. Мембрана клеток обладает высокоизбирательной проницаемостью. Поэтому их физическое состояние позволяет постоянное диффузное движение некоторых из содержащихся в них молекул белков и фосфолипидов. Помимо мембран общего назначения в клетках существуют внутренние мембраны, которые ограничивают клеточные органеллы.

Регулируя обмен между клеткой и средой, мембраны обладают рецепторами, которые воспринимают внешние стимулы. В частности, примерами восприятия внешних стимулов являются восприятие света, движение бактерий к источнику пищи, ответ клеток-мишеней на гормоны, например, на инсулин. Некоторые из мембран одновременно сами генерируют сигналы (химические и электрические). Замечательной особенностью мембран является то, что на них происходит превращение энергии. В частности, на внутренних мембранах хлоропластов происходит фотосинтез, тогда как на внутренних мембранах митохондрий осуществляется окислительное фосфорилирование. Компоненты мембран находятся в движении. Построенным главным образом из белков и липидов, мембранам присущи различные перестройки, что определяет раздражимость клеток – важнейшее свойство живого.

Между разными уровнями организации живого существует диалектическое единство, живое организовано по типу системной организации, основу которой составляет иерархичность систем. Переход от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов, действующих на предшествующих уровнях, и сопровождается появлением структуры и функций новых типов, а также взаимодействия, характеризующегося новыми особенностями, т.е. связан с появлением нового качества.

Органический мир целостен, т.к. составляет систему взаимосвязанных частей, в тоже время он дискретен, т. к. состоит из дискретных единиц организмов или особей. Каждый организм одновременно и целостная, и дискретная система. В биологии ХХ века сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одной из основ живого. На всех уровнях организации жизни проявляются все основные свойства живой материи, хотя на каждом из уровней характер их проявления имеет качественные особенности.

Все многообразие организмов разделяется на две группы - прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, не имеют оформленного ядра, генетический материал (ДНК) находится прямо в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной, отсутствуют митохондрии, центриоли, пластиды.

Эукариоты (растения, грибы, слизевики и животные) имеют типичный ядерный аппарат. Среди них как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.

Таблица 1. Основные различия между прокариотами и эукариотами

В настоящее время на поверхности нашей планеты произрастает свыше 500 000 видов растений, из них около 200 000 видов цветковых. Все множество живых организмов классифицируется по определенной системе иерархически соподчиненных групп – таксонов. Таксон - группа организмов, связанных той или иной степенью родства и достаточно обособленную, чтобы ей можно было присвоить таксономическую категорию того или иного ранга – вид, род, семейство, порядок, класс, отдел, царство и надцарство.

Большинство современных ученых признают 2 надцарства – прокариоты и эукариоты. Надцарство прокариот включает 2 царства – архебактерии и бактерии (в т.ч. сине-зеленые водоросли); надцарство эукариот – 3 царства – животные, грибы и растения.

Каждое растение относится к определенному виду, а вид – к роду. В настоящее время во всех странах мира общепризнанной является бинарная номенклатура, введенная К.Линнеем, т.е. двойное название растений (лютик едкий – Ranunculus acer).

Вершина эволюции животного мира - тип хордовых, растительного мира - тип покрытосеменных.

Большинство биологов считают, что свойства живого в полной мере проявляются в отдельном организме, что единицей жизни является клетка, и что специфика живого связана с особой упорядоченностью биологических структур - молекул ДНК. Но проблемы биологической организации значительно шире и их решение - это выявление общих принципов в организации живого, законов возникновения развития жизни.

Людвиг фон Берталанфи в 1927 году разработал "Организменную концепцию", которая далее трансформировалась в "Общую теорию систем". Основа его концепции - иерархический порядок организации живой природы, в котором каждая система - комплекс взаимодействующих элементов - является компонентом системы более высокого уровня: атомы в молекуле, молекулы в клетке, клетки в организме, организмы в колониях и сообществах.

В развитии систем одни организаторы подчинены другим - рангом выше, те в свою очередь подчинены еще более высоким рангам. Следовательно, организацию данной системы нельзя объяснить суммированием свойств ее элементов, а надо исходить из ее соподчиненного положения в иерархии живой природы. Выделяют следующие градации: микромир, макромир, мегамир.