Отличие живой материи от неживой
Содержание
2. Отличие живой материи от неживой. Свойства живой материи
Жизнь — высшая форма организации материи. В то же время согласно академику В.А. Энгельгардту, у живой материи практически нет таких свойств, каких не существовало бы у неживой материи. Живое отличается от неживого только совокупностью особенностей.
Одним из существенных свойств живого является обмен веществ, энергии и информации. Организмы потребляют из окружающей среды энергию и вещества и используют их для протекания жизненно важных реакций, а затем возвращают в среду эквивалентное количество энергии и вещества в другой форме, менее пригодной для них. Таким образом, организм — открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления веществ и энергии из среды уравновешивается скоростью переноса веществ и энергии из системы. В основе последней находятся белки — носители большинства жизненных функций и нуклеиновые кислоты — носители информации. Важно подчеркнуть, что живое вещество существует только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь.
Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения разлагаются на простые, и выделяется энергия, требуемая для реакций биосинтеза. Отметим, что биогенные (необходимые для живого вещества) элементы всегда находятся в сложных миграциях, перемещениях. Их совокупность составляет круговорот веществ в биосфере.
В качестве источников энергии для живого вещества служат солнечная и другая тепловая радиация, пища, наконец, контакты с более теплыми телами. Энергия живых организмов в процессе их жизнедеятельности подвергается многим превращениям, в частности преобразовывается в механическую, тепловую, световую, химическую, электрическую и, в конце концов, рассеивается в окружающем пространстве.
Что касается обмена информации, то в широком и основном значении информация — это передача от одного живого объекта к другому различных сведений или иных воздействий, которые влияют на их жизнедеятельность. В узком смысле (например, для кибернетики) информация — это «антиэнтропия» (негэнтропия) или мера упорядочения материи. Наряду с этим каждый живой организм воспринимает и накапливает непрерывный поток информации второго рода, который идет к нему из окружающей среды: звуки, запахи, зрительные образы, изменение температуры, освещенность и т.д.
Единство химического состава. Состав живых организмов характеризуется наличием тех же химических элементов, что и в объектах неживой материи. В то же время соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Живое вещество состоит почти на 98,8% из элементов, которые повсеместно присутствуют и в атмосфере и в гидросфере: кислорода, водорода, азота и углерода. Из оставшихся один процент приходится еще на четыре элемента, широко распространенных и весьма подвижных: кальций, калий, магний и кремний. Оставшиеся 0,2% приходятся на долю серы, фосфора, хлора, натрия, алюминия и железа и лишь 0,01% — на все остальные элементы.
Следует подчеркнуть, что обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма.
Здесь уместно, по нашему мнению, привести закон физико-химического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вернадским: все живое вещество Земли физико-химически едино.
Из данного закона естественно вытекает следствие: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части (или: вредное для одних видов существ вредно и для других).
Киральная чистота. Киральность — способность вещества поляризовать свет в одну из сторон (правую или левую). Чистота киральная — наличие исключительно объектов, которые несовместимы со своим зеркальным изображением (например, левая и правая руки). Согласно закону киральной чистоты Л. Пастера, живое вещество состоит из кирально чистых структур. Действительно, сахара, например, вырабатываемые живыми организмами, всегда поляризуют свет вправо и только вправо. Искусственно киральную чистоту получить очень трудно.
Самовоспроизведение. Каждая отдельно взятая биологическая система существует ограниченное время; известно, что поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе последнего лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
Процесс
самовоспроизведения тесно
Изменчивость — противоположное наследственности свойство организма. Оно связано с его способностью приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения так называемых биологических матриц — молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования. Больше шансов на сохранение получают особи, которые лучше приспособлены и быстрее размножаются. Однако и здесь в реальной жизни нет жесткой детерминации, поэтому возможны любые случайности. Согласно Ч. Дарвину, изменчивость, наследственность и естественный отбор — главные факторы эволюции жизни. Это приводит к появлению новых ее форм, новых видов живых организмов. Хотелось бы при этом уточнить одно обстоятельство. При появлении каждого варианта новых условий жизнь к ним приспосабливается, но обычно после ряда как бы «черновых» проб. И то, что в одинаковых условиях среды у видов любого происхождения появляются одинаковые и наиболее рациональные приспособления к этим условиям, придает жизни компьютерные свойства. Это следует понимать так, что подобно компьютерам, жизнь после ряда проб и ошибок находит оптимальное решение для каждой задачи.
Способность к росту и развитию присуща любому живому организму. Последний с момента зарождения растет, увеличиваясь в размерах и массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Таким образом, рост сопровождается развитием и в результате возникает новое качественное состояние живого объекта. Важно отметить, что развитие живой формы материи в целом представлено как индивидуальным, так и историческим развитием. На стадии индивидуального развития постепенно и последовательно проявляются все свойства единого организма. Что касается исторического развития, оно сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Именно благодаря историческому развитию возникло все многообразие живых организмов на Земле.
Для нормального функционирования живого организма в меняющихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулирование — саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды — гомеостазу. В основе саморегуляции лежит принцип обратной связи, в соответствии с которым сигналом для включения того или иного регулируемого процесса может быть изменение состояния какой-либо системы, например, изменение температуры, концентрации веществ
и т.д. Такие системы построены в клетке на химических принципах (процессы обмена веществ, как известно, регулируются на основе биологического катализа), в многоклеточном организме животного — на основе гуморальной и нервной регуляции, в сообществах организмов — в зависимости от разнообразия внутри — и межвидовых взаимодействий.
Неотъемлемой чертой, присущей всему живому, является раздражимость. Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие и связано с передачей информации из внешней среды биологической системе любой сложности (организму, органу, клетке). Благодаря этому свойству организмы способны избирательно реагировать на условия окружающей среды (например, на тепло и холод). Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. Реакции многоклеточных на раздражение (рефлексы) осуществляются с помощью нервной системы. Подчеркнем, что сочетания «раздражитель — реакция» могут накапливаться в виде опыта, то есть научения и памяти и использоваться в последующей жизнедеятельности (по крайней мере, у животных).
Дискретность — всеобщее свойство материи. Любая, в том числе биологическая, система состоит из отдельных, но, тем не менее, взаимодействующих частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Живое вещество существует всегда дискретно, то есть в форме обособленных друг от друга тел, характеризующихся трехмерной структурой, которая специфична для каждого вида. Именно по характеру этой структуры можно отличить, например, льва от кошки. Каждый организм представляет собой непрерывно функционирующую систему химических веществ и внутриклеточных структур, а у многоклеточных видов еще и кледок, тканей и органов. Основу этих систем составляют белки — носители большинства жизненных функций и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) — носители информации.
Структурная сложность живого начинается с гигантских полимерных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных организмов и надорганизменных сообществ. Все живое на Земле характеризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной организации . Жизнедеятельность биологических систем на менее сложном уровне является предпосылкой осуществления свойств живого на более высоком уровне. Так, например, самовоспроизведение на уровне многоклеточного организма невозможно без деления клеток и т. д. Указанная взаимосвязь и соподчиненность уровней организации живого является отражением иерархичного принципа строения биологических систем и лежит в основе биологической формы движения материи.
18. Влияние внешних и внутренних факторов на фотосинтез
Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры — это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.
Скорость
фотосинтеза возрастает линейно, или
прямо пропорционально
В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования света, подобно истинным фотохимическим реакциям, нечувствительны к температурам. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия — это температура около 25°С.
В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2. Отсюда можно сделать вывод, что СО2 участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5% (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие высоких концентраций СО2 повреждает листы). Высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании СО2 около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2, для того чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если помещенное в замкнутый объем растение освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного под названием «СО2 компенсационного пункта». В этой точке появление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2 в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны.
30. Требовательность растений к почвенному питанию и потребность в зольных элементах
Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, или способность снабжать растение водой и питательными веществами. Почва — это сложное природное тело, которое влияет на жизнь растений различными путями. Система почва — растение — сложный взаимодействующий комплекс. Расчеты показывают, что запасы питательных веществ в пахотном горизонте достаточно велики, чтобы полностью удовлетворить потребность в них растений. Между тем известно, что во многих случаях внесение небольших доз удобрений оказывает положительное влияние на рост и продуктивность растений. Это объясняется тем, что абсолютное (валовое) содержание того или иного питательного элемента еще не говорит о его доступности для растения.
Разные растения обладают различной усвояющей способностью. Это связано с их метаболической активностью и, что особенно важно, с характером корневых выделений. В некоторых случаях корневые выделения могут переводить одну форму питательных веществ (плохо усвояемую) в другую (хорошо усвояемую).
Наиболее доступной формой питательных веществ в почве являются вещества, находящиеся в почвенном растворе. Однако их недостаточно для поддержания нормального роста растений. При выращивании растения на воде, профильтрованной через почву, рост его будет чрезвычайно ослаблен по сравнению с тем, которое выращивалось прямо на почве.
Для питания растений важнейшее значение имеет физико-химическая, или обменная, поглотительная способность почвы. Это свойство почвы связано с наличием в ней частиц почвенного поглощающего комплекса — это мелкодисперсная коллоидная часть почвы, смесь минеральных (алюмосиликатных) и органических (гуминовых) соединений. Большая часть коллоидов почвы заряжена отрицательно. На их поверхности в адсорбированном (поглощенном) состоянии находятся катионы. Некоторая часть коллоидов почвы в определенных условиях может быть заряжена положительно, поэтому на них в поглощенном адсорбированном состоянии будут находиться анионы. Обменные катионы и анионы — это один из важнейших источников питания для растений. Катионы и анионы, находящиеся в поглощенном состоянии на частицах почвенного поглощающего комплекса, могут обмениваться на ионы, адсорбировапные на поверхности клеток корня. Особенно успешно проходит этот процесс при тесном контакте между коллоидами почвы и клетками корня (контактный обмен). Доступность поглощенных катионов зависит от ряда условий: 1) от степени насыщенности почвы данным катионом. Чем относительно больше данного катиона (по отношению ко всем другим поглощенным катионам) находится в почве, тем с меньшей силой оп удерживается и легче поступает в клетки корня; 2) от насыщенности данным катионом поверхности клеток корпя растения. Чем больше эта насыщенность, тем меньше способность клеток корня к его поглощению. Насыщенность клеток катионом зависит от быстроты его продвижения внутрь растения, а также от скорости его использования. Чем интенсивнее процессы обмена веществ в растении, чем больше его темпы роста, тем выше его способность к поглощению катионов; 3) от содержания воды в почве. Показано, что обмен ионов между коллоидами почвы и клетками корня осуществляется легче в том случае, когда поверхность соприкосновения увлажнена.
В некоторых случаях растения могут использовать питательные вещества из труднорастворимых соединений. Это относится прежде всего к фосфатам.
42. Опишите различные виды брожения и условия их вызывающие
Брожение
— это внутренний окислительно-
С. П. Костычев выдвинул положение о генетической связи процессов брожения и дыхания. При этом он опирался на следующие факты: 1. У высших растений был найден весь набор ферментов, который катализирует отдельные этапы процесса брожения. 2. При временном попадании в условия анаэробиоза высшие растения определенное время существуют за счет энергии, выделяющейся в процессе брожения. Правда, поскольку процесс брожения энергетически значительно менее эффективен, в анаэробных условиях рост растений приостанавливается. Кроме того, продукты брожения, в частности спирт, ядовиты, и их накопление приводит к гибели растения. 3. При добавлении к клеткам факультативных анаэробов (дрожжи) полусброженных сахаров интенсивность дыхания у них резко возрастает, следовательно, полусброженные продукты являются лучшим субстратом дыхания по сравнению с неизмененными сахара ми.
В настоящее время общепризнано, что первые этапы (гликолиз) протекают одинаково при процессах как дыхания, так и брожения. Поворотным моментом является образование пировиноградной кислоты. В аэробных условиях пировиноградная кислота распадается до СО2 и воды (дыхание), тогда как в анаэробных она преобразуется в различные органические соединения (брожение). Организм обладает способностью при изменении условий переключать процессы, прекращая брожение и усиливая дыхание и наоборот. Впервые в опытах Пастера было показано, что в присутствии кислорода процесс брожения у дрожжей тормозится и заменяется процессом дыхания. Одновременно резко сокращается распад глюкозы. Это явление оказалось характерным для всех факультативных анаэробных организмов, включая и высшие растения, и получило название эффекта Пастера. Сокращение расхода глюкозы в присутствии кислорода целесообразно, поскольку при дыхательном распаде выход энергии значительно выше, а следовательно, глюкоза используется более экономно. Однако осуществление разбираемого эффекта требует специальных механизмов.
В зависимости от получаемого продукта различают разные типы брожения. При спиртовом брожении пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида при участии фермента карбоксилазы, а затем восстанавливается до этилового спирта ферментом алкогольде-гидрогепазой:
Ни
та, ни другая реакция не сопровождается
образованием АТФ. В связи с этим
выход АТФ при спиртовом
Разные микроорганизмы осуществляют и разные типы брожения. Так, молочнокислые бактерии накапливают молочную кислоту. При этом пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты. Для некоторых облигатных анаэробных микроорганизмов, например азотфиксирующей бактерии Clostridium pasleurianum, характерно образование в процессе брожения масляной кислоты.
Молочнокислое брожение — анаэробное окисление сахара молока или других углеводов в молочную кислоту — вызывает большая группа молочнокислых бактерий, которые широко используют для изготовления простокваши (молочнокислый стрептококк — Streptococcus lactis, болгарская палочка — Lactobacterium bulgaricum и др.), кефира, кумыса, сметаны, кислосливочного масла, сыров (сырная палочка — Lactobacterium easel).
Сахара растительного сырья наиболее энергично сбраживает палочковидная бактерия Lactobacterium plantarum. Она играет основную роль в квашении огурцов, капусты и силосовании кормов. Образование молочной кислоты препятствует развитию гнилостных бактерий и обеспечивает сохранность сочных продуктов. Силосование имеет большое хозяйственное значение, так как позволяет сохранить сочные корма, убирать растительную массу в любую погоду, дает меньшие потери, чем сушка, позволяет использовать на корм грубые отходы (стебли подсолнечника, кукурузы и т. д.).
Пектиновое брожение широко используют для выделения из стеблей прядильных растений (лен, конопля, джут и др.) растительных волокон. Во время мочки растений в течение полутора-двух недель в прудах или искусственных бассейнах при температуре 26...28 °С происходит брожение, в результате которого разрушаются пектиновые вещества. Связь между волокнами и остальными тканями ослабевает, и после высушивания волокна легко отделяются механическим путем (трепанием и чесанием).
58. Роль бактерий в природе и жизни человека
Значение бактерий в природе и деятельности человека. Практически все природные соединения разлагаются бактериями. Они участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Их роль в процессах деструкции — определяющая.
Сапротрофные бактерии обеспечивают минерализацию органических соединений, разлагая трупы животных и растительные остатки. Они играют роль в создании плодородия почвы, обеспечивая образование гумуса. В сельском хозяйстве большое значение имеют бактерии, обогащающие почву солями аммония, азотной и азотистых кислот, доступными для высших растений. Это аммонифицирующие, нитрифицирующие бактерии и бактерии, фиксирующие свободный азот воздуха.
Свободный азот воздуха фиксируется анаэробным клостридиумом (Clostridiitm pasteurianum) и аэробным азотобактером (Azotobacter chroococcum), живущими в почве. Кроме них азот воздуха фиксируется клубеньковыми бактериями (Rhizobium)y вступающими в симбиоз с бобовыми растениями. Проникая через корневой волосок в первичную кору корня, они быстро размножаются, вызывая деление паренхимных клеток и образование клубенька. Сначала бактерии живут за счет бобового растения, а затем начинают фиксировать азот. Возникает аммиак (NH3), а из него — аминогруппы (—NH2). Образовавшихся азотистых веществ хватает для удовлетворения потребностей и бактерий и бобового растения. Иногда даже часть азотистых веществ выделяется из корней в почву. При разрушении клубеньков почва обогащается азотистыми веществами. Оказавшиеся в почве живые клубеньковые бактерии продолжают существование, но жизненные процессы в них протекают слабо. Имеются различные расы клубеньковых бактерий, специфичных для отдельных видов бобовых растений. Продуктивность их разная (50...300 кг/ га). Деятельность клубеньковых бактерий значительно эффективнее, чем свободно-живущих азотфиксаторов. Клубеньковые бактерии могут полностью компенсировать убыль азотистых веществ, выносимых из почвы культурными растениями (50 кг с 1 га и более). Так как не все почвы содержат нужные клубеньковые бактерии, в них вносят специальные бактериальные препараты.
Способность бактерий расщеплять органические вещества используют при очистке сточных вод.
Без участия бактерий, вызывающих различные типы брожения, невозможно производство многих пищевых и технических продуктов.
Используют бактерии и в генной инженерии.
Отрицательная роль бактерий также очень велика. В процессе гниения портятся пищевые продукты, приобретают неприятные вкус и запах, утрачивают вкусовые качества. При гниении выделяются газы, многие из которых (сероводород, метан) обладают неприятным запахом; образуются и ядовитые вещества.
Паразитные бактерии могут быть безразличными для организма, в котором или на котором они обитают (многие кишечные бактерии), а могут выделять ядовитые вещества и тогда становятся болезнетворными (патогенными). К ним относятся возбудители большинства заразных болезней человека и животных (дизентерии, холеры, туберкулеза, сибирской язвы, сифилиса, бруцеллеза и др.), а также сальмонеллы, вызывающие тяжелые пищевые отравления. Поражают они и растения, вызывая так называемые бактериозы (увядание, пятнистость, гниение стеблей и др.). Бактериозы часто встречаются у томатов, огурцов, капусты, картофеля, плодовых деревьев.
71. Мохообразные особенности их строения и классификация
Моховидные — это наиболее обособленная группа высших растений. Наука, занимающаяся их изучением, носит название бриологии.
Современные моховидные представлены примерно 25 000 видами. Из них около 1500 видов встречается на территории нашей страны. Древнейшие ископаемые формы мхов известны из карбона, но скорее всего они появились значительно раньше, возможно, одновременно с риниофитами и независимо от них.
Моховидные
— единственная группа растительного
мира, чья эволюция связана с регрессивным
развитием спорофита. Заселив многие влажные
местообитания, они издавна прочно заняли
свое особое место в природе и сохранили
его, несмотря на резкие изменения климата,
почв и растительного покрова. Моховидные
оказывают существенное воздействие на
среду обитания многих других растений
и животных. В подавляющем большинстве
моховидные — низкорослые многолетние
растения размером от 1 мм до нескольких
сантиметров, реже до 60 см и более. Тело
у части моховидных представляет собой
слоевище, а у других расчленено на стебель
и листья. Характерный признак всех моховидных
— отсутствие корней. Всасывание воды
и прикрепление к субстрату у них осуществляют
ризоиды, представляющие собой выросты
эпидермы. Моховидные могут быть однодомными
или двудомными. Внутреннее строение их
относительно простое. У листостебельных
форм ассимиляционная, механическая и
проводящие ткани более или менее обособлены.
Элементы проводящих тканей сходны с трахеидами
и ситовидными трубками.