Живые системы обладают рядом общих свойств и признаками, которые отличают их от неживой природы:

1)высокая упорядоченность , которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всœех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определœенные элементы (98% химического состава приходится на 4 элемента: углерод, кислород, водород, азот, а в общей массе веществ основную долю составляет вода - не мене 70 – 85%).

2)Клеточное строение : Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов.

3)Метаболизм . Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания и дыхания, и выделяя продукты жизнедеятельности.

4)Репродукция, или самовоспроизведение - способность живых систем воспроизводить себе подобных.

5)Наследственность ,которая заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколении

6)Изменчивость - это способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения биологических матриц - молекул ДНК.

7)Рост и развитие . Рост - процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и делœения клеток). Развитие - процесс, в результате которого происходит качественно изменение организма. Под развитием живой природы - эволюции понимают необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сопровождается приобретением адаптации (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.

8)Приспособленность . Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсœегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). По этой причине всœе живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них.

9)Раздражимость . Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и принято называть рефлексом. Организмы, которые не имеют нервной системы, лишены и рефлексов. У таких организмов реакция на раздражение осуществляется в разных формах: а) таксисы - это направленные движения организма в сторону раздражителя (положительный таксис) б) тропизмы - направленный рост частей растительного организма по отношению к раздражителю в) настии - движения частей растение по отношению к раздражителю (движение листьев в течение светового дня в зависимости от положения Солнца на небосводе или, к примеру, раскрытие и закрытие венчика цветка).

10) Дискретность (делœение на части) . Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Клетки состоят из отдельных органоидов, ткани - из клеток, органы - из тканей и т. п. Это свойство позволяет осуществить замену части без остановки функционирования целостной системы и возможность специализации различных частей на неодинаковых функциях.

11)Авторегуляция - способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов - гомеостаз. Саморегуляция обеспечивается деятельностью регуляторных систем - нервной, эндокринной, иммунной и др.

12)Ритмичность . В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т. е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования. 13)Энергозависимость. Живые тела представляют собой "открытые" для поступления энергии системы. Под "открытыми" системами понимают динамические, т. е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне.

14)Целостность - живая материя определœенным образом организована, подчинœена ряду специфических законов, характерных для неё.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Знакомство с биологической химии имеет большое зна­чение, прежде всего, для формирования отчетливого понимания жизненных процессов.

Современные достижения биохимии в раскрытии молекулярных механизмов живой природы позволяют понять физико-химические основы жизнедеятельно­сти, биоэнергети­ки, обмена веществ, саморегуляции биохимических процессов в организ­ме.

Данное учебное пособие предназначено для подготовки студен­тов по направлению «Экология и природопользование», но может быть использовано также студентами других специаль­ностей при изучении курса общей биохимии, разделов органической химии посвященных биоорганическим соединениям. При написании данного учебного пособия автор исходил из того, что студенты, начинающие изучать биохимию, уже знакомы с вопросами общей и органической хи­мии. Поэтому из огромного материала выбраны основные темы и вопросы, позволяю­щие дать студенту общие представления о молекулярных основах жизни.

Данное учебное пособие придерживается антропоцентрического принципа, все вопросы общей биохимии рассматриваются, прежде всего, в приложении к орга­низму человека, но в сравнении с другими живыми организмами всех уровней организации. Учебное пособие построено таким образом, что обеспечивает постепенность перехода от более простых вопросов стати­ческой биохимии к более сложным вопросам динамической биохимии, включающим иногда и некоторые аспекты биохимии функциональной. Поэтому в первой части пособия рассмотрены основные признаки и хи­мический состав живых организмов; даны современные представления о строении, свойствах и биологических функциях белков, углеводов, нук­леиновых кислот, липидов, ферментов, витаминов, коферментов, гормо­нов. Далее во второй части рассматриваются основные вопросы обмена веществ и энергии, биологического окисления; обмена углеводов, липи­дов, нуклеиновых кислот, белков и водно-солевого обмена, молекуляр­ные основы переноса информации, регуляции биохимиче­ских процессов, а также биохимические функции отдельных органов и тканей.

Учебное пособие содержит таблицы и рисунки, а также боль­шое количество реакционных схем, структурных формул и химических названий, так как, не зная химического строения биоорганических ве­ществ и сущности их химических превращений, невозможно понять их биологическую роль и физиологическое значение при рассмотрении функциональной активности органов и тканей.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи биохимии

Биологическая химия - сравнительно молодая наука. Как само­стоятельная научная дисциплина она возникла в конце XIX века, когда в ряде университетов были созданы кафедры био­химии, написаны учебники по этому предмету, а курс биохимии стал не­пременной составной частью подготовки биологов и медиков, специалистов пищевой индустрии.

Биологическая химия - наука о молекулярных основах жизни, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а, также связь этих превращений с деятельностью органов и тканей, изменениями в окружающей среде.

В зависимости от подхода к изучению живых организмов, биохимию делят на три крупных раздела:

1) статическая биохимия;

2) динамическая биохимия;

3) функциональная биохимия.

Статическая биохимия изучает качественный состав и количест­венное содержание соединений, входящих в состав биоло­гических объектов.

Динамическая биохимия изучает всю совокупность превращений химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности организмов.

Функциональная биохимия изучает связь между строением хи­мических соединений, их превращениями, с одной стороны, и функцией тканей или органов, содержащих эти вещества, - с другой стороны.

Вышеназванные три раздела биохимии неразрывно связаны между собой, так как в живом организме состав и строение веществ неот­делимы от их преобразований, а также и от функций органов, в ко­торых эти вещества содержатся. Но в методологическом плане такое деление удобно, так как, с одной стороны, отражает историю развития биохимии, а с другой - позволяет постепенно, перейти при изучении кур­са от более простых вопросов к более сложным.

В зависимости от объекта исследования биологическую химию делят на целый ряд направлений.

Общая биохимия - рассматривает закономерности содержания и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических соединений, общих для живой материи в целом. Несмотря на биохимиче­ское единство всего живого, в животных, растительных и микроорганиз­мах существуют и коренные различия, прежде всего в характере обмена веществ. Обмен веществ или метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках организма (рис. Стр 117), направленная на сохранение и са­мовоспроизведение живых систем. Вышеизложенное объясняет сущест­вование помимо общей биохимии и некоторых других направлений био­логической химии.

Биохимия животных - изучает состав животных организмов и превращение в них веществ и энергии.

Биохимия растений - исследует состав растительных организмов и процессы метаболизма в них.

Биохимия микроорганизмов - занимается составом и превраще­нием веществ в микроорганизмах.

Медицинская биохимия (биохимия человека) - включает в себя все общебиохимические направления, но в той их части, которая имеет отношение к здоровью и болезням человека, то есть она изучает состав и превращения веществ в организме человека в норме и патологии.

Фармацевтическая биохимия занимается разработкой новых ле­карственных препаратов; вопросами стандартизации и контроля качества лекарств, метаболизма их в организме.

Сравнительная биохимия - сопоставляет состав и пути превра­щений веществ у организмов различных систематических групп, в том числе и в эволюционном аспекте.

Техническая биохимия - исследует состав важнейших пищевых продуктов и изучает процессы, происходящие при их производстве и хранении.

Таким образом, биохимия в целом изучает химические и физико-химические процессы, результатом которых являются развитие и функ­ционирование живых систем всех уровней организации. Главной задачей для биохимии является выяснение функционального (биологического) назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизма нарушения этих функций при раз­ных заболеваниях.

Биохимия имеет огромное теоретическое и практическое значе­ние, особенно велико ее значение в биологии, так как управление жиз­недеятельностью любого организма (человека, животного, растения, микробов) невозможно без расшифровки в достаточной мере набора, строения и свойств химических соединений в его составе, а также без выяснения закономерностей их превращений в процессе жизнедеятель­ности организма.

Кроме того, в биохимии, а именно биоорганической химии, исхо­дя из функций отдельных веществ в организме и механизма их действия разрабатываются принципы создания синтетических биоактивных соеди­нений, т.е. веществ, определенным образом изменяющих функции орга­низма. На базе известных микроорганиз­мов путем пересадки новых или модификации уже имеющихся генов соз­даются новые штаммы микроорганизмов, которые применяют для произ­водства дешевого кормового белка и незаменимых аминокислот. При этом в качестве питательной среды для таких микроорганизмов часто используют парафины нефти. Разработаны биологические спо­собы переработки промышленных и бытовых отходов, очистки морей от нефтепродуктов с помощью специально выведенных мутантов бактерий. Биологические катализаторы - ферменты применяются в фармацевтиче­ской промышленности для синтеза лекарств. Опять же с помощью мик­роорганизмов и методов генной инженерии созданы экономичные спосо­бы промышленного производства лекарственных препаратов - аминокис­лот, нуклеотидов, нуклеозидов, витаминов, антибиотиков и др. Разрабо­таны быстрые и специфичные методы анализа лекарств с использовани­ем ферментов в качестве аналитических реагентов.

Таким образом, биохимия является фундаментом для решения важнейших вопросов производства продовольствия, медицины, экологии. Закономерности распада и синтеза химиче­ских соединений в природных условиях используются в про­мышленности и защите окружающей среды.

Основные признаки живой материи

Основными признаками, отличающими живой организм от нежи­вого, являются следующие: 1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность); 2) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии; 3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений; 4) самовоспроизведение. Рассмотрим отдельно каждый признак.

1. Высокий уровень структурной организации (упорядо­ченность). Если клетку разобрать на отдельные молекулы, а затем рас­положить их по степени сложности, получится своеобразная шкала уров­ней организации клетки (См. ниже рисунок иллюстрирующий иерархию живой материи).

Переход от простых биомолекул к сложным биоструктурам осно­вывается на физико-химических принципах самоорганизации, в основе которой лежат химические взаимодействия между молекулами в составе живой материи. Ковалентные связи обеспечивают все многообразие про­стых биомолекул и макромолекул.

Укладка макромолекул в пространстве и организация надмоле­кулярных структур, органоидов и клетки осуществляется с участием сла­бых связей (водородных и ван-дер-ваальсовых). Ковалентные связи обу­словливают прочность и устойчивость биомолекул, а слабые связи обес­печивают лабильность биоструктур. Более сложная организация объяс­няет явления живой природы и отличия живой материи от неживой.

Рис. Иерархия структурной биохимической организации живой материи

2. Способность к преобразованию и использованию энергии. Структурная организация (упорядоченность) живой природы связана с законами термодинамики. На первый взгляд, упорядоченность структуры живых организмов противоречит второму закону термодина­мики, согласно которому в изолированной системе спонтанные процессы происходят в направлении увеличения энтропии (беспорядка). Энтропия вселенной стремится к максимуму. Но под "вселенной" подразумевается система и ее окружение. Это важно подчеркнуть, так как энтропия системы может спонтанно уменьшаться до тех пор, пока окружающая среда может это скомпенсировать. Этим объясняется антиэнтропийность жи­вых организмов, являющихся открытыми системами (обмен с окружаю­щей средой веществом и энергией). Живые существа - очень упорядо­ченные структуры с низкой энтропией, однако они растут и поддержива­ют жизнь в силу того, что при их метаболизме генерируется избыток эн­тропии в окружающей среде.

Для поддержания структурной упорядоченности живые организ­мы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термоди­намики, они потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное коли­чество энергии в окружающую среду в форме теплоты. Обмениваясь с внешней средой энергией и веществом, клетка является открытой нерав­новесной системой. Если бы эти процессы пришли в состояние равнове­сия, то упорядоченность клетки не могла бы поддерживаться за счет ок­ружающей среды, и она бы погибла.

3. Обмен с окружающей средой и саморегуляция химиче­ских превращений. Поступающие в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал. Для построения нужных организму молекул поступающие извне вещества подвергаются хими­ческим превращениям. Продукты этих превращений, т.е. продукты обме­на, выводятся из организма во внешнюю среду. Биологические катализаторы белковой природы - ферменты - обеспечивают высокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживых объектах белков, в том числе и белков - ферментов, исключает у них возможность специфического об­мена веществ и саморегуляцию химических превращений.

4. Самовоспроизведение, передача наследственной ин­формации. Самым уникальным признаком живых организмов, полно­стью отсутствующим в неживой природе, является способность к само­воспроизведению. Все многообразие живых существ определяется на­следственной программой, заложенной в нуклеиновых кислотах. Генети­ческая информация хранится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью ее строения является потенциальная возможность самоко­пирования и, следовательно, передачи наследственных признаков от одного поколения организма к другому. Информация, заложенная в ДНК, реализуется через рибонуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответ­ствующего белка. При этом процесс передачи наследственной информа­ции не может происходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюции белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные жи­вые организмы.

Похожая информация.

Лекция № 2 Общая характеристика живого

1 Отличительные признаки живой материи

1.1 Питание. Пища нужна всем живым организмам, так как она служит источником энергии и других веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения и животные различаются главным образом по тому, как они добывают пищу.

Почти все растения способны к фотосинтезу, т.е. они сами образуют необходимые вещества, используя энергию света. Фотосинтез – одна из форм автотрофного питания:

6СО + 6НО СНО + 6О

хлорофилл

Животные и большинство микроорганизмов питаются по другому: они используют готовое органическое вещество, т.е. вещество других организмов. Это вещество они расщепляют с помощью ферментов и образуют вещества своего тела. Такое питание называется гетеротрофным.

1.2 Дыхание. Это процесс окисления органических веществ с выделением энергии (АТФ обнаружен во всех живых клетках).

СНО + 6О 6СО + 6НО + Q (кДж)

Энергия нужна для всех процессов жизнедеятельности, поэтому основная масса питательных веществ используется как источник энергии. В процессе дыхания энергия высвобождается при расщеплении некоторых высокоэнергетических соединений.

Благодаря этим двум процессам – питанию и дыханию - организм поддерживает свою целостность, т.е. упорядоченность всех процессов, протекающих в этом организме.

1.3 Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды. Например, на холоде кровеносные сосуды сужаются (гусиная кожа), а при высокой температуре расширяются, в результате в атмосферу выделяется избыточное тепло. Растения тянутся к свету (фотосинтез), животные тоже реагируют на опасность – еж, черепаха.

Раздражимость – это универсальное свойство живого. Оно выработалось в процессе эволюции и помогает живому организму выжить в изменившихся условиях внешней среды.

1.4 Подвижность. Животные отличаются от растений способностью перемещаться в пространстве из одного места в другое, т.е. они могут двигаться. Животным надо двигаться, чтобы добывать себе пищу.

Для растений подвижность не обязательна, т.к. они сами способны синтезировать питательные вещества. Но у растений имеет место движение внутри клеток и движение целых органов (листья комнатных растений, подсолнух). Но скорость этого движения значительно меньше, чем у животных.

В связи с этим академик Вернадский выделил два вида движения:

1 активное движение – перемещение на значительные расстояния;

2 пассивное движение – движение внутри тела.

1.5 Выделение. Выделение или экскреция – выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Животные потребляют много белковых веществ, поэтому шлаки, образованные из белков, это азотистые соединения.

1.6 Размножение. Продолжительность жизни у каждого организма ограничена, но все живое в целом бессмертно. Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения.

Существуют определенные механизмы передачи наследственной информации из поколения в поколение, причем эти механизмы одинаковы для всех видов. В этом проявляется наследственность. Но потомки, будучи похожи на родителей, всегда чем-то отличаются от них. В этом состоит явление изменчивости, основные законы которой тоже являются общими для всех видов.

Закодирована наследственная информация в молекулах ДНК и РНК.

1.7 Рост. Объекты неживой природы, например, кристаллы или сталактиты, растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности.

Живые организмы растут изнутри за счет питательных веществ, которые поступают в организм в процессе питания. В результате ассимиляции этих веществ образуются новые вещества, новая живая протоплазма.

Эти семь главных признаков живого более или менее выражены у любого организма и служат единственным показателем того, жив он или мертв.

В отличие от живой материи неживое под действием внешних условий разрушается.

2 Свойства живых организмов

2.1 Обмен веществ. Все живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей среды либо в виде питательных веществ, либо в форме солнечного излучения. Во внешнюю среду они возвращают продукты распада и преобразованную энергию в виде тепла. То есть организмы способны к обмену веществом и энергией с окружающей средой.

Обмен веществ является одним из существенных критериев жизни. Это свойство отражено в определении жизни, которое сформулировал Ф.Энгельс более ста лет назад:

«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

В это определение вошли два важных положения:

А) жизнь тесно связана с белковыми веществами;

Б) непременным условием жизни является постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.

Обмен веществ белкового тела имеет две стороны:

· Пластический обмен (анаболизм) – это совокупность реакций, обеспечивающих построение клетки и обновление ее состава.

· Энергетический обмен (катаболизм) – это совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией.

Анаболизм + катаболизм = обмен веществ (метаболизм)

Вещества, поступающие из окружающей среды в результате пластического обмена, превращаются в вещества данного организма, и из них строится тело организма. Таким образом, пластический обмен состоит из двух одновременно идущих процессов: непрерывного распада веществ – диссимиляции и непрерывного синтеза новых соединений, т.е. ассимиляции. Процессы диссимиляции и ассимиляции едины и не существуют отдельно друг от друга. В результате этих процессов живой организм все время меняется, но при этом сохраняет свою определенную структуру.

Для ассимиляции, т.е. образования нового сложного вещества, кроме «строительного материала» - разнообразных химических соединений, необходима также энергия. Эту энергию дают, в первую очередь, процессы распада, т.е. процессы диссимиляции. При этом происходит расщепление сложных органических соединений на более простые, которые окисляются до конечных продуктов, как правило, до углекислого газа и воды с выделением энергии. Все это происходит в процессе энергетического обмена – катаболизма.

Живому организму энергия требуется не только для создания новых веществ тела, но и для различных видов деятельности: работа мышц, желез, нервных клеток и др., высшим животным – для поддержания постоянной температуры тела.

Чем больше нагрузка на организм, и чем больше затрачивается энергии, тем большее количество питательных веществ должно поступать. Людям тяжелого физического труда, спортсменам при больших нагрузках необходимо усиленное питание. Несоответствие между поступающей энергией в виде питательных веществ и затрачиваемой организмом ведет к увеличению веса и заболеваниям.

Обмен веществ обеспечивает устойчивость и постоянство химического состава клетки и всего организма, а, следовательно, и их деятельность.

Динамические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне веществ и энергии, а продукты распада отводятся, называются открытыми системами .

Живой организм – это открытая система, т.к. он существует до тех пор, пока в него поступает пища, а также энергия из внешней среды, а некоторые продукты обмена выделяются.

Живые организмы обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неупорядоченному распаду структур и выделению энергии. Это тесно связано с процессом обмена веществ.

Способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое постоянство состава и свойств называется гомеостазом

Гомеостаз – относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма.

Различают: а) физиологический гомеостаз – это генетически детерминированная способность организма сохранять свой статус в изменяющихся условиях внешней среды (у млекопитающих – способность сохранять постоянство осмотического давления в клетках и рН крови);

б) гомеостаз развития - это генетически детерминированнаяспособность организма так изменять отдельные реакции, что функции организма при этом в целом сохраняются. (У человека при удалении одной почки оставшаяся выполняет двойную нагрузку)

2.2 Способность к самовоспроизведению – это второе обязательное свойство живого.

Время жизни всех живых систем, от молекулярных структур (вирусы, прионы) до высокоорганизованных многоклеточных организмов, ограничено.

Самовоспроизведение осуществляется на всех уровнях организации живой материи – от макромолекул до организма. Благодаря этому свойству клеточные структуры, клетки и организмы сходны по строению со своими предшественниками.

В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, на основе информации, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК. Самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных.

Материальной основой генетических программ являются нуклеиновые кислоты: ДНК РНК белок

Белок является функциональным исполнительным механизмом, который регулируется нуклеиновой кислотой. Этому соответствует одно из современных определений жизни, данное в 1965 г. советским ученым М.В.Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

2.3 Изменчивость – это свойство, противоположное наследственности. Оно связано с приобретением организмами новых признаков и свойств. В основе изменчивости лежат мутации – нарушение процесса самовоспроизведения ДНК. Изменчивость создает материал для естественного отбора.

2.4 Свойством живых организмов является способность к историческому развитию и изменению от простого к сложному. Этот процесс называется эволюцией. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов, приспособленных к определенным условиям существования.

Некоторые исследователи к основным свойствам живых организмов относят также: а)единство химического состава (98% - С, N, О, Н);

б)сложность и высокую степень организации , т.е. усложненное внутреннее строение, но в настоящее время обнаружены живые организмы, образованные одной молекулой – прионы – белки.

2.5 Уровни организации живой материи

Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми существует сложное соподчинение.

Жизнь на каждом уровне изучается соответствующими отраслями биологии. Например, вирусы – вирусология, растения – ботаника и т.д.

В настоящее время выделяют следующие уровни организации живой материи.

· Самый нижний, наиболее древний уровень - молекулярный , или уровень молекулярных структур.

· Любая, даже самая сложная, живая система проявляется на уровне функционирования биологических молекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. На этом уровне проходит граница между живым и неживым.

· Клеточный уровень. Клетка – это структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Неклеточных форм жизни нет, а существование вирусов лишь подтверждает это правило, так как они могут проявлять свои свойства живых систем только в клетках.

· Тканевый уровень характерен для многоклеточных организмов. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, соединенных выполнением общих функций.

· Органный уровень. У большинства живых организмов орган – это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей. Например, кожа, как орган, включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, среди которых наиболее значительная – защитная.

· Иногда 3 и 4 уровни объединяют в один – органно-тканевый, или уровень целостного организма.

· Организменный уровень. Многоклеточные организмы представляют собой целую систему органов, которые строго специализированы по выполняемым функциям. На организменном уровне изучаются процессы и явления, происходящие в особи – механизмы согласованной работы ее органов и систем, а также роль различных органов в жизнедеятельности организма, приспособительные изменения и поведение организмов в различных экологических условиях.

· Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию, как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие эволюционные преобразования.

· Вид – совокупность популяций особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную нишу – ареал.

· Популяция (от латинского populus – народ, население) – это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

· Если продолжительность жизни любого живого организма определена генетически, и они неизбежно умирают, исчерпав запрограммированные возможности своего развития, то популяция способна при подходящих условиях среды развиваться сравнительно долго. В результате этого возможны эволюционные изменения.

· 7 Уровень биогеоценозов.

· Биогеоценоз – это совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами среды обитания. Т.е. это сообщество всех видов живых существ, населяющих ту или иную территорию или акваторию. На этом уровне действуют законы межвидовых отношений.

· На этом уровне изучаются взаимоотношения организма и среды, миграция живого вещества, пути и закономерности протекания энергетических кругооборотов и др.

· 8 Биосферный. Это самый высокий уровень организации живой материи на нашей планете. Биосфера представляет собой совокупность всего живого, населяющего Землю.

· Таким образом, живая природа представляет собой сложно организованную иерархическую систему. Законы, характерные для более высоких уровней организации живого мира, не исключают действия законов, присущих более низким уровням.

· Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни.

3 Биологическая терминология и единицы измерения

В биологии существует множество названий и терминов, с помощью которых обозначают различные виды и группы растений и животных, их морфологические структуры и функциональные механизмы, а также взаимоотношения между ними.

Для того чтобы обеспечить максимальную точность и иметь терминологию, понятную ученым всех стран, биологи обычно пользуются, где это возможно, латинскими словами, а при создании новых терминов используют латинские или греческие корни, придавая слову в целом латинизированную форму.

Пикограммах (1 пг = 10г).

Используют также дальтон – это единица молекулярной массы, равная массе атома водорода.

12. Фундаментальные свойства живой материи

Биология как наука и ее место в современном естествознании

Целью биологии является познание жизни - феномена, занимающего особое место в мировоззрении. Биология сегодня представляет собой комплекс научных дисциплин, изучающих живые организмы, их строение, функционирование, распространение, происхождение и развитие, а также природные сообщества организмов, их связи друг с другом, с неживой природой и человеком. Вместе с астрономией , физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими Природу, биология относится к числу естественных наук.

Существование и развитие неживой природы определяется сложными физико-химическими процессами, фундаментальными и для живой природы. Однако, с появлением живых организмов (принципиально отличающихся по своим свойствам от тел наживой природы) начинают осуществляться биологические процессы, имеющие специфический характер и подчиняющиеся новым законам - биологическим. Таким образом, физико-химические процессы в живой природе являются фундаментальными, первичными, а биологические, возникающие на их основе, - производными, вторичными. Человек представляет собой особо сложное явление - в нем сочетаются биологическая и социальная сущности. Обладая, в отличие от всех других живых организмов, разумом, языком, способностью к творческой деятельности, глубокой социальностью, человек подчинен действию как физико-химических и биологических, так и социальных законов.

Бурное развитие и грандиозные достижения в 20-м столетии таких биологических наук, как биохимия , биофизика , генетика, молекулярная биология , экология обусловили существенное расширение и углубление наших представлений о единстве материального мира, о наличии сложных взаимоотношений между неживой, живой природой и человечеством. Так, развитие учения о биосфере , экологии в целом показало, что живые организмы («живое вещество» по) являются мощным геологическим фактором планетарного масштаба; что в настоящее время еще более мощным экологическим фактором выступает человечество, оказывая воздействие и на неживую, и на живую природу Земли.

Определяя место и роль биологии в современном естествознании, необходимо отметить ее значение для развития таких новых направление в науке, как кибернетика, синергетика, общая теория систем. Действительно, ведь живые системы являются ни чем иным, как открытыми диссипативными системами, которые исследуются синергетикой. Кибернетический подход при изучении живых систем широко и плодотворно используется в биологии, а, «по принципу обратной связи», биология способствует развитию этого направления в науке. Наконец, основы общей теории систем были заложены трудами биолога Л. Берталанфи, активно искавшего новые пути познания жизни.

Все выше изложенное объясняет необходимость формирования, в рамках современного естествознания, целостного взгляда на материальный мир, неотъемлемым компонентом которого является человеческое общество, во многом определяющее сегодня дальнейшее существование и развитие этого мира.

Субстрат жизни

Различие между живой и неживой природой отчетливо проявляется уже на уровне их химического состава. Если земная кора на 90% состоит из О, Si, Al и Na, то в живых организмах около 95 % составляют C, H, O, N. Кроме того, к этой группе (макроэлементов) относится еще восемь элементов - Na, Cl, S, P, Ca, K, Mg, Fe, содержание которых исчисляется долями процента. В меньших количествах встречаются столь же необходимые для жизни микроэлементы - Cu, Mn, Zn, Mo, Co, F, I, Se, B. Только в отношении 27 элементов известно, что они выполняют определенные функции в организмах. Не случайно основу живых организмов составляют химические элементы (названные органогенами ) - водород , углерод, кислород и азот , из которых преимущественно состоят органические вещества (белки, углеводы, жиры и т. д.). Первое место среди органогенов несомненно принадлежит углероду. Этот химический элемент характеризуется способностью образовывать прочные (и, следовательно, энергоемкие) и лабильные связи. Он в большей степени, чем все остальные элементы на Земле, способен образовывать крупные молекулы, может соединяться с другими атомами углерода в цепи и кольца. В результате получается сложные молекулы огромного размера, характеризующиеся «бесконечным» разнообразием. Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов; могут образовывать почти все типы связей, известных химии. Высокое содержание кислорода и водорода в живых организмах бесспорно связано с наличием окислительных и восстановительных свойств, соответственно. Азот входит в состав органических веществ, имеющих первостепенное значение для жизненных процессов - белков и нуклеиновых кислот. Сера, фосфор и другие элементы, подобно углероду, характеризуются лабильностью, а их взаимодействие создает исключительное богатство химических связей.

Признаком живого на молекулярном уровне служат чрезвычайно многообразные органические соединения. Они являются как структурными, так и функциональными компонентами организмов, играя важную роль в процессах обмена веществ и энергии. Основой живого или, другими словами, субстратом жизни являются белки и нуклеиновые кислоты - биополимеры, находящиеся в тесном взаимодействии и взаимозависимости. Белки не только строительный материал живого, они играют важнейшую роль во всех жизненных функциях (в том числе и в процессе синтеза нуклеиновых кислот), выступая в качестве биокатализаторов (белки - ферменты). Нуклеиновые кислоты, в свою очередь, предопределяют структуру всех белков, синтезируемых в организме. Причем всем живым организмам на Земле присущ универсальный генетический код - каждой из двадцати аминокислот, образующих все белки организма, соответствует определенная последовательность трех нуклеотидов в полинуклеотидной цепи.

Таким образом, характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Живое вещество, построенное из тех же химических элементов, что и неживое, характеризуется чрезвычайной сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени, обеспечивающей строгую последовательность процессов, протекающих в живых системах.

Современные представления о сущности жизни

Классическим определением жизни стала формулировка Ф. Энгельса: «Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка», И далее: «... обмен веществ состоит в поглощении веществ, химический состав которых изменяется, которые ассимилируются организмом и остатки которых выделяются вместе с порожденными в процессе жизни продуктами разложения самого организма». Весьма существенным примечанием самого Ф. Энгельса дополняется это тезис: «И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования». Энгельса намного опередило свое время и можно только поражаться тому, как при состоянии науки того времени ему удалось увидеть главное и указать на самое принципиальное в характеристике сущности живого.

Выдающийся биохимик академик отмечал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть ни что иное, как противодействие энтропии». Более образно по этому поводу высказывался выдающийся физик XX века Э. Шредингер: «Живой организм может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, только путем постоянного извлечения отрицательной энтропии из окружающей его среды. Отрицательная энтропия вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той положительной энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив».

Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, известный биофизик определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».

Несмотря на обилие высказываний по поводу феномена жизни, дать краткое и однозначное определение жизни представляется сегодня весьма сложной задачей. «Жизнь» не существует сама по себе - это лишь специфическое качество определенных систем, называемых «живыми» или «биологическими». Жизнь, в ее конкретных проявлениях на Земле, представлена многообразием организмов. На основании достижений современной биологии можно выделить совокупность свойств, которые являются общими для всех живых существ и отличают их от тел неживой природы. Таким образом, к понятию «жизнь» мы приходим путем постижения специфических свойств живых организмов.

Уровни организации живого

К 60-м годам текущего столетия сложилось представление об уровнях организации живого как конкретном выражении иерархической упорядоченности. Жизнь на Земле представлена организмами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам (популяция, вид), а также сообществам разной сложности (биогеоценозы, биосфера). В свою очередь, организмы характеризуются молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей и т. д.), с другой - сам является единицей в составе надорганизменных биологических систем (популяций, видов, биогеоценозов, биосферы в целом).

Существование жизни на всех уровнях определяется структурой низшего уровня. Например, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями; организменного - клеточным, тканевым, органным; популяционно-видового - организменным и т. д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях.

По подходу к изучению биологических систем выделяют следующие уровни организации живой материи на базе разных способов структурно-функционального объединения составляющих элементов:

Таблица 12.2

Фундаментальные свойства живой материи

Обмен веществ (метаболизм)

Обмен веществ (метаболизм) - совокупность протекающих в живых системах химических превращений, обеспечивающих их жизнедеятельность, рост, воспроизведение, развитие, самосохранение, постоянный контакт с окружающей средой, способность адаптироваться к ней и ее изменениям. В процессе обмена веществ происходит расщепление и синтез молекул, входящих в состав клеток; образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества. В основе метаболизма лежат взаимосвязанные процессы ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Ассимиляция - процессы синтеза сложных молекул из простых с расходованием энергии, запасенной в ходе диссимиляции (а также накопление энергии при отложении в запас синтезированных веществ). Диссимиляция - процессы расщепления (анаэробного или аэробного) сложных органических соединений, идущее с высвобождением энергии, необходимой для осуществления жизнедеятельности организма.

В отличие от тел неживой природы обмен с окружающей средой для живых организмов является условием их существования. При этом происходит восстановление разрушенных («отработавших») компонентов, замена их новыми, идентичными им, т. е. имеет место самообновление. Вот некоторые примеры: все белки печени и крови человека обновляются каждые 20 дней; все тканевые белки - в течение каждых 160 дней; все клетки кишечного эпителия обновляются в течение недели.

Процессы обмена веществ, протекающие внутри организма, объединены в метаболические каскады и циклы химическими реакциями, которые строго упорядочены во времени и пространстве. Показательны расчеты для клеток человека - их метаболический аппарат включает более 10000 реакций. Согласованное протекание большого количества реакций в малом объеме достигается путем упорядоченного распределения отдельных звеньев обмена веществ в клетке (принцип компартментализации). Процессы обмена веществ регулируются с помощью биокатализаторов - особых белков-ферментов. Каждый фермент обладает субстратной специфичностью катализировать превращение лишь одного субстрата. В основе этой специфичности лежит своеобразное “узнавание” субстрата ферментом. Ферментативный катализ отличается от небиологического чрезвычайно высокой эффективностью, в результате чего скорость соответствующей реакции повышается в 1раз. Каждая молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в минуту, не разрушаясь в процессе участия в реакциях. Так, например, одна молекула фермента каталазы осуществляет расщепление 5 миллионов молекул субстрата (Н2О2) в течении одной минуты. Для сравнения - Н2О2 может разлагаться в присутствии атомов Fe, но медленно - понадобилось бы 300 лет, чтобы один атом железа расщепил такое количество молекул Н2О2, какое одна молекула каталазы расщепляет за одну секунду. Еще одно характерное отличие ферментов от небиологических катализаторов состоит в том, что ферменты способны ускорять реакции при обычных условиях (атмосферном давлении, температуре тела организма и т. п.).

Все живые организмы могут быть разделены на две группы - автотрофы и гетеротрофы, отличающиеся источниками энергии и необходимых веществ для своей жизнедеятельности.

Автотрофы - организмы, синтезирующие из неорганических веществ органические соединения с использованием энергии солнечного света (фотосинтетики - зеленые растения, водоросли , некоторые бактерии) или энергии, получаемой при окислении неорганического субстрата (хемосинтетики - серо-, железобактерии и некоторые другие), Автотрофные организмы способны синтезировать все компоненты клетки. Роль фотосинтезирующих автотрофов в природы является определяющей - являясь первичным продуцентом органического вещества в биосфере, они обеспечивают существование всех других организмов и ход биогеохимических циклов в круговороте веществ на Земле (см. гл. 14).

Гетеротрофы (все животные, грибы, большинство бактерий, некоторые бесхлорофилльные растения) - организмы, нуждающиеся для своего существования в готовых органических веществах, которые, поступая в качестве пищи, служат как источником энергии, так и необходимым «строительным материалом». Характерной чертой гетеротрофов является наличие у них амфиболизма, т. е. процесса образования мелких органических молекул (мономеров), образующихся при переваривании пищи (процесс деградации сложных субстратов). Такие молекулы - мономеры используются для сборки собственных сложных органических соединений. Например, при расщеплении белков пищи в кишечнике на аминокислоты, последние поступают затем в клетки тела и там из них «собираются» (синтезируются) белки, присущие данному организму.

Самовоспроизведение (репродукция)

Жизнь существует в виде дискретных биологических систем (клеток, организмов и т. д.) и существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени. Поэтому поддержание жизни на любом уровне организации связано с репродукцией.

Способность к размножению (воспроизведению себе подобных, самовоспроизведению) относится к одному из фундаментальных свойств живых организмов. Размножение необходимо для того, чтобы обеспечить непрерывность существования видов, т. к. продолжительность жизни отдельного организма ограничена. Размножение с избытком компенсирует потери, обусловленные естественным отмиранием особей, и таким образом поддерживает сохранение вида в ряду поколений особей. В процессе эволюции живых организмов происходила эволюция способов размножения. Поэтому у ныне существующих многочисленных и разнообразных видов живых организмов мы обнаруживаем разные формы размножения. Многие виды организмов сочетают несколько способов размножения. Необходимо выделить два, принципиально отличающихся типа размножения организмов - бесполое (первичный и более древний тип размножения) и половое.

В процессе бесполого размножения новая особь образуется из одной или группы клеток (у многоклеточных) материнского организма. При всех формах бесполого размножения потомки обладают генотипом (совокупность генов) идентичным материнскому. Следовательно, все потомство одного материнского организма оказывается генетически однородным и дочерние особи обладают одинаковым комплексом признаков.

При половом размножении новая особь развивается из зиготы, образующейся путем слияния двух специализированных половых клеток (процесс оплодотворения), продуцируемых двумя родительскими организмами. Ядро в зиготе содержит гибридный набор хромосом, образующийся в результате объединения наборов хромосом слившихся ядер гамет. В ядре зиготы, таким образом, создается новая комбинация наследственных задатков (генов), привнесенных в равной мере обоими родителями. А развивающийся из зиготы дочерний организм будет обладать новым сочетанием признаков. Иными словами, при половом размножении происходит осуществление комбинативной формы наследственной изменчивости организмов, обеспечивающий приспособление видов к меняющимся условиям среды и представляющей собой существенный фактор эволюции. В этом заключается значительное преимущество полового размножения по сравнению с бесполым.

Способность живых организмов к самовоспроизведению базируется на уникальном свойстве нуклеиновых кислот к репродукции и феномене матричного синтеза, лежащего в основе образования молекул нуклеиновых кислот и белков. Самовоспроизведение на молекулярном уровне обусловливает как осуществление обмена веществ в клетках, так и самовоспроизведение самих клеток. Клеточное деление (самовоспроизведение клеток) лежит в основе индивидуального развития многоклеточных организмов и воспроизведения всех организмов. Размножение организмов обеспечивает самовоспроизведение всех видов, населяющих Землю, что в свою очередь обусловливает существование биогеоценозов и биосферы.

Наследственность и изменчивость

Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток генетической информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Генетическая информация, определяющая разнообразие наследственных признаков, зашифрована в молекулярной структуре ДНК (у некоторых вирусов - в РНК). Полинуклеотидные цепи ДНК подразделяются на особые функциональные единицы (гены), являющиеся единицами генетической (наследственной) информации. В генах закодирована информация о структуре синтезируемых белков, ферментных и структурных. Генетический код - это система «записи» информации о последовательности расположения аминокислот в синтезируемых белках с помощью последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

Совокупность всех генов организма называется генотипом , а совокупность признаков - фенотипом . Фенотип зависит как от генотипа, так и факторов внутренней и внешней среды, которые влияют на активность генов и обусловливают регулярные процессы. Хранение и передача наследственной информации осуществляется у всех организмов с помощью нуклеиновых кислот, генетический код един для всех живых существ на Земле, т. е. он универсален. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, обеспечивающие приспособленность организмов к среде их обитания.

Если бы при размножении организмов проявлялась только преемственность существующих признаков и свойств, то на фоне меняющихся условий внешней среды существование организмов было бы невозможно, так как необходимым условием жизни организмов является их приспособленность к условиям среды обитания. При «жесткой» наследственности не мог бы осуществляться и эволюционный процесс. Но живым организмам свойственна изменчивость, под которой понимают свойство живого приобретать новые признаки и утрачивать прежние. Проявляется изменчивость в разнообразии организмов, принадлежащих к одному и тому же виду. Изменчивость может реализовываться у отдельных организмов в ходе их индивидуального развития или в пределах группы организмов в ряду поколений при размножении.

Выделяют две основные формы изменчивости, различающиеся по механизмам возникновения, характеру изменения признаков и, наконец, их значимости для существования живых организмов - генотипическую (наследственную) и модификационную (ненаследственную).

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа и приводит к изменению фенотипа. В основе генотипической изменчивости могут лежать мутации (мутационная изменчивость) или новые комбинации генов, возникающие в процессе оплодотворения при половом размножении. При мутационной форме изменения связаны, в первую очередь, с ошибками при репликации нуклеиновых кислот. Таким образом происходит возникновение новых генов, несущих новую генетическую информацию; происходит появление новых признаков. И если вновь возникающие признаки полезны организму в конкретных условиях, то они «подхватываются» и «закрепляются» естественным отбором. Таким образом, на наследственной (генотипической) изменчивости базируется приспособляемость организмов к условиям внешней среды, разнообразие организмов, создаются предпосылки для позитивной эволюции.

При ненаследственной (модификационной) изменчивости происходят изменения фенотипа под действием факторов внешней среды и не связанные с изменением генотипа. Модификации (изменения признаков при модификационной изменчивости) происходят в пределах нормы реакции, находящейся под контролем генотипа. Модификации не передаются следующим поколениям, т. е. приобретенные в течение индивидуальной жизни признаки не наследуются . Значение модификационной изменчивости заключается в том, что она обеспечивает приспособляемость организма к факторам внешней среды в течение его жизни.

Индивидуальное развитие организмов

Всем живым организмам свойственен процесс индивидуального развития - онтогенез. Традиционно, под онтогенезом понимают процесс индивидуального развития многоклеточного организма (образующегося в результате полового размножения) от момента формирования зиготы до естественной смерти особи. За счет деления зиготы и последующих поколений клеток формируется многоклеточный организм, состоящий из огромного числа разных типов клеток, различных тканей и органов. Развитие организма базируется на «генетической программе» (заложенной в генах хромосом зиготы) и осуществляется в конкретных условиях среды, существенно влияющей на процесс реализации генетической информации в ходе индивидуального существования особи. На ранних этапах индивидуального развития происходит интенсивный рост (увеличение массы и размеров), обусловленный репродукцией молекул, клеток и других структур, и дифференцировка , т. е. появление различий в структуре и усложнение функций.

Очевидно, что понятие «онтогенез» применимо и к одноклеточным организмам. Правомерно, также, говорить об индивидуальном развитии одно - и многоклеточных организмов, возникающих в результате бесполого размножения. Действительно, при делении, например, инфузории образуются дочерние особи-клетки, которые существенно отличаются от материнской клетки. Они мельче, лишены ряда органелл, формирующихся лишь с течение времени, в процессе индивидуального существования дочерних особей. Достигнув «зрелого» состояния дочерние организмы (в свою очередь претерпев деление) дадут начало новому поколению инфузорий. И хотя, при такой смене поколений, не происходит естественной смерти особей, можно говорить об их онтогенезе (от деления до деления этих одноклеточных организмов). Другой пример - размножение бесполым путем многоклеточных. Например, почкование у гидры. Здесь процесс онтогенеза разворачивается от момента возникновения почки на материнском организме (и отделении дочерней особи на определенном этапе ее развития) до естественной смерти дочерней особи.

На всех этапах онтогенеза существенное регулирующее влияние оказывают на развитие организма различные факторы внешней среды (температура, гравитация, давление, состав пищи по содержанию химических элементов и витаминов , разнообразные физические и химические агенты). Изучение роли этих факторов в процессе индивидуального развития животных и человека имеет огромное практическое значение, возрастающее по мере усиления антропогенного воздействия на природу. В различных областях биологии, медицины, ветеринарии и других наук широко проводятся исследования по изучению процессов нормального и патологического развития организмов, выяснению закономерностей онтогенеза. В последние десятилетия сформировался самостоятельный раздел медико-биологической науки - тератология . Это направление посвящено изучению уродств и пороков развития организмов, выяснению причин их появления и роли различных факторов среды. Многие из выявленных тератогенов (факторов, вызывающих появление уродств и пороков развития) оказались различными химическими веществами, с которыми человек контактирует часто, в повседневной жизни - никотин, алкоголь, различные синтетические вещества, некоторые лекарственные препараты. Показано тератогенное действие и многих физических факторов- различного рода излучения, ультразвук, вибрации, электромагнитное поле и т. п.

Эволюция организмов

Эволюция организмов представляет собой необратимый процесс исторического развития живого. В ходе эволюции (филогенетического развития) происходит последовательная смена видов в результате процесса возникновения новых видов организмов. По своему характеру эволюция является прогрессивной, т. к. организация живых организмов в ходе эволюции прошла ряд ступеней - доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняющихся многоклеточных вплоть до человека (подробнее об этом см. в следующем разделе). С появлением человека возникла новая форма существования материи - социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек в отличие от всех других видов организмов представляет собой биосоциальное существо (подробнее см. в главе 14).

Раздражимость

Неотъемлемым свойством организмов и всех живых систем является раздражимость - способность воспринимать внешние или внутренние раздражители (воздействия) и адекватно на них реагировать. У организмов раздражимость сопровождается комплексом изменений, выражающихся в сдвигах обмена веществ, электрического потенциала на мембранах клеток, физико-химических параметров в цитоплазме клеток, в двигательных реакциях, а высокоорганизованным животным присущи изменения в их поведении.

У животных, не имеющих нервной системы, одноклеточных организмов и некоторых клеток многоклеточных организмов (например, фагоцитов крови) реакции на раздражение выражаются, в частности, в форме двигательных реакций - таксисов, пространственных перемещений. В зависимости от характера раздражения выделяют следующие таксисы: фототаксис, хемотаксис, термотаксис, геотаксис и т. д. У фотосинтезирующих организмов обычно ярко выражен положительный фототаксис (перемещение в зону, наиболее освещенную), гетеротрофным организмам чаще всего свойственен отрицательный фототаксис (избегание освещенных зон). Благодаря хемотаксису, фагоциты крови скапливаются вокруг, например, проникших в организм бактерий и осуществляют свою функцию - фагоцитоз («пожирание») бактерий.

Растения сравнительно с животными характеризуются малой подвижностью. Большинство движений у растений возникает как ответные реакции на раздражение светом, температурой, гравитацией, химическими факторами. Активные движения у растений наблюдаются двух типов: ростовые и сократительные. Первые движения более медленные, а вторые более быстрые. Ростовые движения связаны с влиянием на растение фактора, действующего в одном направлении. Это вызывает односторонний рост, а как следствие этого возникает изгиб. Такие изгибы органов растения получили название тропизмов . Любой тропизм может быть положительным или отрицательным. Положительным он называется тогда, когда растение изгибается по направлению к раздражителю, а отрицательным, если растение изгибается в противоположную от раздражителя сторону. Так, если поставить проростки растения на окно, то растущие растения изгибаются в одну сторону, по направлению к свету. Это явление получило название положительного фототропизма. Растение изгибается потому, что оно растет в этих условиях неравномерно. Сторона растения, направленная к свету, растет более медленно, чем противоположная. К сократительным движениям у растений можно отнести быстрые движения листьев у мимозы, кислицы, насекомоядных растений (например, росянки) при прикосновении к ним - настии. У мимозы черешки перистых листьев и отдельные листочки имеют особые участки с особыми клетками. При раздражении (прикосновении, толчке, тряске) клетки быстро теряют воду, внутриклеточное давление резко падает, и листочки складываются. В настоящее время высказываются предположения, что механизм быстрых движений связан также с наличием особых сократительных белков.

У многоклеточных животных нервная и мышечная системы обеспечивают ответные двигательные реакции; развиваются формы опосредованной реактивной связи с раздражителем через высшую нервную деятельность и сознание. Благодаря раздражимости достигается уравновешивание организмов с внешней средой: организмы адекватно реагируют на изменения условий окружающей их среды изменениями в функционировании соответствующих элементов биологической системы и самой системы в целом.

Явление раздражимости лежит в основе саморегуляции биологических систем, а в результате существования саморегуляции в системах поддерживается гомеостаз. Гомеостаз - это способность системы противостоять изменениям и сохранить относительное постоянство ее состава и свойств (поддержание определенной температуры тела, постоянство полного состава, осмотического давления и т. д.).

Явление раздражимости лежит в основе адаптаций . Под адаптацией (приспособлением) понимается приспособление организма к непрерывно меняющимся условиям среды. Выделяя раздражимость как специфическое свойство живых организмов, руководствуются следующими соображениями. Неживые тела (системы) реагируют, как правило, на внешние воздействия непосредственно, т. е. независимо от своей предшествующей истории. Живые же организмы реагируют на внешние воздействия уже не только непосредственно, но и основываясь на своей врожденной (генетической) или прижизненной (индивидуальной) «памяти» о всем прошлом опыте реагирования на внешние воздействия. Разумные существа обладают способностью опережающего действия в меняющихся условиях среды, реагируя на внешние воздействия уже не только непосредственно или с учетом имеющейся и накопленной информации, но активно перерабатывая ее в существенно новую информацию.

Заключая раздел, посвященный анализу свойств живых организмов, можно выделить фундаментальные и специфические свойства, совокупность которых характеризует живое: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция, базирующиеся на потоках веществ, энергии и информации. Отличие живых систем от неживых состоит не в присутствии каких-то неуловимых метафизических свойств - все законы физики и химии верны и для живого, - а в высокой структурной и функциональной сложности живых систем. Эта особенность включает все рассмотренные выше признаки и свойства живых организмов и делает состояние жизни качественно новым свойством материи.

Вопросы для самопроверки:

1.Какие фундаментальные свойства отличают живую материю от неживой?

2. Что является субстратом жизни?

3. Как можно определить феномен жизни?

4. Что такое метаболизм и какую роль он играет в динамике жизни?

5. Какие иерархические уровни организации специфичны для живой материи?

Свойства живых организмов

1. Обмен веществ и энергии с окружающей средой.

2. Раздражимость (способность реагировать на воздействия).

3. Размножение (самовоспроизведение).

Уровни организации живой материи

1. Молекулярный - это уровень сложных органических веществ - белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне происходят химические реакции обмена веществ (гликолиз, кроссинговер и т.п.), но молекулы сами по себе еще не могут считаться живыми.

2. Клеточный . На этом уровне возникает жизнь , потому что клетка - минимальная единица, обладающая всеми свойствами живого.

3. Органно-тканевой - характерен только для многоклеточных организмов.

4. Организменный - за счет нервно-гуморальной регуляции и обмена веществ на этом уровне осуществляется гомеостаз , т.е. сохранение постоянства внутренней среды организма.

5. Популяционно-видовой . На этом уровне происходит эволюция , т.е. изменение организмов, связанное с приспособлением их к среде обитания под действием естественного отбора. Наименьшей единицей эволюции является популяция.

6. Биогеоценотический (совокупность популяций разных видов, связанных между собой и окружающей неживой природой). На этом уровне происходит

• круговорот веществ и превращение энергии , а также
• саморегуляция , за счет которой поддерживается устойчивость экосистем и биогеоценозов.

7. Биосферный . На этом уровне происходит

• глобальный круговорот веществ и превращение энергии , а так же
• взаимодействие живого и неживого вещества планеты.

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каких уровнях организации живого изучают значение фотосинтеза в природе?
1) биосферном
2) клеточном
3) биогеоценотическом
4) молекулярном
5) тканево-органном

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой уровень организации живой природы представляет собой совокупность популяций разных видов, связанных между собой и окружающей неживой природой
1) организменный
2) популяционно-видовой
3) биогеоценотический
4) биосферный

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Генные мутации происходят на уровне организации живого
1) организменном
2) клеточном
3) видовом
4) молекулярном

Ответ

Выберите один, наиболее правильный вариант. Элементарная структура, на уровне которой проявляется в природе действие естественного отбора
1) организм
2) биоценоз
3) вид
4) популяция

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки служат сходными для живых и неживых объектов природы?
1) клеточное строение
2) изменение температуры тела
3) наследственность
4) раздражимость
5) перемещение в пространстве

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каких уровнях организации живого изучают особенности реакций фотосинтеза у высших растений?
1) биосферном
2) клеточном
3) популяционно-видовом
4) молекулярном
5) экосистемном

Ответ

Ниже приведен перечень понятий. Все они, кроме двух, являются уровнями организации живого. Найдите два понятия, «выпадающих» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) биосферный
2) генный
3) популяционно-видовой
4) биогеоценотический
5) биогенный

Ответ

1. Установите, в какой последовательности располагаются уровни организации живого. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) популяционный
2) клеточный
3) видовой
4) биогеоценотический
5) молекулярно-генетический
6) организменный

Ответ

2. Установите последовательность усложнения уровней организации живого. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) биосферный
2) клеточный
3) биогеоценотический
4) организменный
5) популяционно-видовой

Ответ

Расположите в правильном порядке соподчинение систем разных уровней, начиная с наибольшего. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) соединительная ткань
2) ион железа
3) эритроцит
4) гемоглобин
5) форменные элементы
6) кровь

Ответ

1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Клеточный уровень организации совпадает с организменным у
1) бактериофагов
2) амёбы дизентерийной
3) вирус полиомиелита
4) кролика дикого
5) эвглены зелёной

Ответ

2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Клеточному и организменному уровням организации жизни одновременно соответствуют.
1) гидра пресноводная
2) спирогира
3) улотрикс
4) амеба дизентерийная
5) цианобактерия

Ответ

3. Выберите два верных ответа. У каких организмов совпадают клеточный и организменный уровни жизни?
1) серобактерия
2) пеницилл
3) хламидомонада
4) пшеница
5) гидра

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Одна амеба обыкновенная одновременно находится на:
1) Молекулярном уровне организации жизни
2) Популяционно-видовом уровне организации жизни
3) Клеточном уровне организации жизни
4) Тканевом уровне организации жизни
5) Организменном уровне организации жизни

Ответ

1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Живое от неживого отличается
1) способностью изменять свойства других объектов
2) способностью изменять свои свойства под воздействием окружающей среды
3) способностью реагировать на воздействия окружающей среды
4) способностью участвовать в круговороте веществ
5) способностью воспроизводить себе подобных

Ответ

2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки присущи только живому веществу?
1) рост
2) движение
3) самовоспроизведение
4) ритмичность
5) наследственность

Ответ

3. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Для всех живых организмов характерно
1) образование органических веществ из неорганических
2) поглощение из почвы растворённых в воде минеральных веществ
3) активное передвижение в пространстве
4) дыхание, питание, размножение
5) раздражимость

Ответ

4. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки характерны только для живых систем?
1) способность к передвижению
2) обмен веществ и энергии
3) зависимость от температурных колебаний
4) рост, развитие и способность к самовоспроизведению
5) устойчивость и относительно слабая изменчивость

Ответ

5. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Для организмов, в отличие от объектов неживой природы, характерны
1) изменение
2) движение
3) гомеостаз
4) эволюция
5) химический состав

Ответ

Установите соответствие между уровнями организации живого и их характеристиками и явлениями: 1) биоценотический, 2) биосферный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) процессы охватывают всю планету
Б) симбиоз
В) межвидовая борьба за существование
Г) передача энергии от продуцентов консументам
Д) испарение воды
Е) сукцессия (смена природных сообществ)

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Онтогенез, метаболизм, гомеостаз, размножение происходят на … уровнях организации.
1) клеточном
2) молекулярном
3) организменном
4) органном
5) тканевом

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. На популяционно-видовом уровне организации жизни находятся
1) рыбы озера Байкал
2) птицы Арктики
3) Амурские тигры Приморского края России
4) городские воробьи Парка культуры и отдыха
5) синицы Европы

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие из уровней организации жизни являются надвидовыми?
1) популяционно-видовой
2) органоидно-клеточный
3) биогеоценотический
4) биосферный
5) молекулярно-генетический

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Клеточному уровню организации жизни соответствует
1) хламидомонада
2) серобактерия
3) бактериофаг
4) ламинария
5) лишайник

Ответ

Выберите два варианта. Энергетический обмен у обыкновенной амёбы происходит на уровне организации живого
1) клеточном
2) биосферном
3) организменном
4) биогеоценотическом
5) популяционно-видовом

Ответ

Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каком уровне организации происходят такие процессы, как раздражимость и обмен веществ?
1) популяционно-видовой
2) организменный
3) молекулярно-генетический
4) биогеоценотический
5) клеточный

Ответ

© Д.В.Поздняков, 2009-2019