Особенности биологического уровня развития материи

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

«САНКТ  – ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Вариант № 8 
 
 
 
 
 

Выполнила студентка

1 курса

заочного отделения

Экономического  факультета

Отделения «Менеджмент»

Выполнила:

Киселева  Марина Александровна 

Проверил(а) ____________________ 
 
 
 

Полесск

2011

Содержание

1. Многогранность живого…………………………………………………...3
2. Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии……………………………………………………………….........4
3. Структурные уровни организации живых систем………………….........5
4. Развитие современной концепции биохимического единства всего живого……………………………………………………………………....8
5. Функционирование энергетики живого……………………………..........9
6. Особенности термодинамики, самоорганизации и информационного обмена в живых системах………………………………………………...10
7. Роль генетического материала в воспроизводстве и эволюции живых организмов………………………………………………………………...12
8. Список используемой литературы………………………………………15

     «Особенности  биологического уровня организации материи»

     1. Многогранность живого

     Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, являются пределом химической эволюции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в организации  материи по сравнению с атомарно-молекулярным уровнем -- это живая материя, живая природа, Жизнь во всех ее формах является объектом биологии, поэтому, имея в виду все живое, можно говорить о биологическом уровне организации материи.

     Живая природа (коротко -- жизнь) -- это такая форма организации материи на уровне макромира, которая резко отличается от других форм сразу многими признаками. Каждый из этих признаков может служить для разграничения живой и неживой природы, а соответственно -- основой для определения, что есть жизнь. Существенными оказываются все эти признаки. Ни одним из них нельзя пренебречь.

     Прежде  всего любой живой объект является системой -- совокупностью взаимодействующих элементов, которая обладает свойствами, отсутствующими у элементов, образующих этот объект. Для последующего анализа живого воспользуемся определением жизни, которое дал академик М.В. Волькенштейн: «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению». Рассмотрим отдельные положения этой формулировки.

     Микроскопичность  живого означает, что любой живой  организм, начиная с бактерии, или  же его самостоятельно функционирующая  подсистема должны содержать большое  число атомов. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась  бы флуктуациями.

     Гетерогенность  означает, что организм образован  из множества различных веществ.

     Открытость  живой системы проявляется в  непрерывном обмене энергией и веществом  с окружающей средой. Самоорганизация  возможна лишь в открытых сильнонеравновесных  системах.

     Помимо  отмеченных ключевых особенностей живых  систем следует указать на другие важные свойства живых организмов.

     Сходство  химического состава всех живых  организмов. Элементный состав живого определяется главным образом шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор. Кроме того, живые  системы содержат совокупность сложных  биополимеров, которые для неживых  систем не характерны (белки, нуклеиновые  кислоты, ферменты и др.).

     Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет  биологические виды. Конечность живых  систем создает условия их сменяемости  и совершенствования.

     Свойство  всего живого -- раздражимость - проявляется в виде реакции живой системы на информацию, воздействие извне.

     Живая система обладает дискретностью - состоит  из отдельных (дискретных) элементов, взаимодействующих  между собой. Каждый из них также  является живой системой. Наряду с  дискретностью живой системе  присуще свойство цельности -- все ее элементы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом. 

     2. Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии 

     Биологию  можно определить как науку о  живом, о строении живой материи  и процессах с ее участием, формах и развитии живого, распространении  живых организмов и их природных  сообществ, взаимосвязях живой и  неживой природы.

     Одна  из особенностей биологии связана с  тремя концептуальными уровнями биологического знания. Сосуществуют одновременно три «образа» биологии: описательно-натуралистическая (иное название - традиционная) биология, физико-химическая биология и эволюционная биология.

     Традиционная  биология имеет самую долгую историю. Ее метод -- тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача -- их классифицирование. Эту задачу выполняет биологическая систематика. В рамках систематики биологические объекты объединяют в группы (таксоны). Группировка возможна по различным принципам. Искусственная классификация проводится на основе легко обнаруживаемых признаков (так, возможна классификация по месту обитания). Естественная классификация использует более содержательные критерии, например, эволюционные связи биологических объектов, в основе которых лежит общее историческое происхождение. Объектом изучения традиционной биологии была и остается живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.

     Физико-химическая биология сформировалась благодаря  экспериментальным тенденциям, существовавшим в науке издавна (поэтому иногда это направление именуют еще  и экспериментальной биологией). В настоящее время методами экспериментальной  биологии исследуется молекулярный уровень живого, а также структура  и функции живых систем на всех остальных уровнях организации. В арсенале современной экспериментальной  биологии метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа  и электронной микроскопии, ультразвуковое зондирование, высокочувствительные методы электромагнитных измерений и др. Развитие физико-химического направления  биологии объективно способствовало тесному  взаимодействию естественных наук, формированию целостной современной естественнонаучной картины мира. Следует отметить также  большое прикладное значение физико-химической биологии как основы многих новейших направлений медицины.

     Эволюционная  биология. С того времени, как в  биологии было в полной мере осознано неотъемлемое и наиболее характерное  свойство живого -- его способность развиваться и совершенствоваться, концепция эволюции получила в ней самостоятельное значение и обусловила формирование отдельного направления -- эволюционной биологии. Ее истоки лежат в традиционной биологии. Ч.Дарвин создал теорию естественного отбора, будучи типичным натуралистом. Учение Дарвина -- плод пристальных наблюдений над живой природой в самых разных формах ее проявления. Достижения в области традиционной и физико-химической биологии ничего не изменили в логике теории естественного отбора, однако привели к гигантскому обогащению ее предметного содержания. Это в конечном итоге и привело к формированию эволюционной биологии. Современная эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая раскрытие деталей механизма эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

     Многообразные знания о живой природе плохо  поддаются формализации и формулированию на их основе постулатов и обобщений, которые могли бы послужить базой  для всеохватывающего теоретического знания о живом. На сегодняшний день теоретическая биология только формируется. Главная проблема будущей теоретической  биологии -- создание единой теории живого. 

     3. Структурные уровни  организации живых  систем 

     Жизни как природному явлению присуща  своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность  этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представление  о системности, цельности этих структур стали основой последующего построения иерархии живого.

     Концепция структурных уровней живого включает представление об иерархической  соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности  живых организмов. В соответствии с этой концепцией структурные уровни различаются не только сложностью, но и закономерностями функционирования. Вследствие иерархической соподчиненности  каждый из уровней организации живой  материи должен изучаться с учетом характера ниже и вышестоящего уровней  в их функциональном взаимодействии.

     Рассмотрим  отдельные уровни организации живой  материи, начав с низшей ступени, на которой смыкаются биология и  химия.

     Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень организации  материи, на котором совершается  скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.

     Белки -- органические соединения, входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре низкомолекулярных соединений (мономеров). Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему разнообразные свойства. В состав белка входит 20 аминокислот-мономеров.

     Характерным физическим свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что все они способны поворачивать влево плоскость поляризации  светового луча. В свою очередь, это  означает, что свойством живой  материи является ее молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой  и правой рук. Опираясь на такую аналогию, это свойство живого назвали молекулярной хиральностъю (от греч. cher - рука).

     Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Но с химической точки зрения ни сам белок, ни его составные части  не представляют ничего уникального. Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, обладающих свойствами кислот и названных нуклеиновыми (то есть ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой - ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Удалось доказать, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки -- хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном из набора белков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах.

     Изучение  строения и функции молекул нуклеиновых  кислот стало возможным лишь при  использовании физических методов  и представлений. Молекулярная биология, изучающая биологические объекты  и процессы на молекулярном уровне, -- один из наиболее ярких примеров современной тенденции к интеграции научного знания.

     Клеточный уровень. Любой живой организм состоит  из клеток. В простейшем случае -- из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.

     Клетки  обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра - прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками  клеток с развитой структурой, то есть клеток, имеющих ядро -- эукариотов.

     «На общедоступном языке мы можем  назвать ядро администратором клетки. Две главные черты роднят его  с администраторами: оно стремится  плодить себе подобных и успешно  отражает все наши попытки узнать, чем же именно ядро занимается. Только попытавшись обойтись без него, мы узнаем, что оно действительно  работает». (Д. Мэйзи. Строение и функции биологических структур.)

     Следует отметить, что к миру живого относятся  также и вирусы ~ мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз  меньше бактерий. Они находятся на границе между живой и неживой  материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь  в среду чужих клеток.

     Тканевый  уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую  ткань. Из тканей состоят различные  органы живых организмов.

     Организменный уровень. Система совместно функционирующих  органов образует организм. В отличие  от предыдущих уровней на организменном  уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень  именуют также онтогенетическим.

     Популяционно-видовой  уровень образован совокупностью  видов и популяций живых систем. Популяция -- это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.

     Биоценотический уровень образован биоценозами -- исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

     Биосферный  уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли.

     Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных  биологических наук, то есть условными  разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.

     4. Развитие современной  концепции биохимического  единства всего  живого 

     Пока  в биологии не существовало методов  физико-химического исследования и  сколько-нибудь ясных теоретических  концепций, сущность живого сводили  к наличию некоей «таинственной  силы», благодаря которой развивается  и воспроизводится все живое. Такой подход к пониманию живого называют витализмом. Витализм уводил исследователей по ложному пути и  не способствовал постижению принципов  функционирования живых организмов. Эти принципы были раскрыты на пути детального изучения процессов обмена веществом, энергией и информацией  в живых системах разного уровня организации, начиная от клетки и  заканчивая биосферой.

     Углубление  современных знаний о происхождении  жизни проводит к появлению различных  теорий предбиологической эволюции. Существует несколько точек зрения на саму природу образования жизни  на Земле.

     Первая  заключается в следующем: жизнь  возникла на Земле из неживых (минеральных) форм.

     Следовательно:

     а) жизнь представляет собой направленный вектор эволюции от неживого к живому;

     б) грань живого и неживого весьма резка, а сама жизнь крайне неустойчива  и может в любой момент вернуться  в область неживого;

     в) живое из неживого -- событие почти невероятное! Особенно если учесть, что на близко расположенных планетах признаки жизни не обнаружены.

     Вторая  посылка: жизнь получила развитие на Земле. Это означает, что:

     а) жизнь является порождением Космоса, а Земля предоставила лишь необходимые  условия для ее развития (в космическом  пространстве на орбите между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов, из которого к нам на Землю попадают некоторые разновидности метеоритов (хондриты), содержащие весьма высокие (до нескольких процентов) концентрации углерода неорганического происхождения, из которого возможен синтез первоосновы  жизни - аминокислот;

     б) преджизненная основа -- весьма устойчивое образование, раз она может преодолевать громадные расстояния в Космосе;

     в) сущность принципа Пастера-Реди (живое только от живого);

     г) жизнь -- не такое уж редкое событие во Вселенной.

     По  гипотезе английского астрофизика  Джеймса Джинса (1877-1946) предполагается, что жизнь -- это плесень, возникающая на поверхности небесных тел. Это парадоксальное утверждение было наиболее естественным объяснением возникновения жизни.

     Анализируя  феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствует вырождению материи  во Вселенной, так как часть ее бесструктурного состояния переходит в структурное, понижая энтропию системы. Фотосинтез - прекрасная иллюстрация этому.

     Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ (метаболизма) и системы  воспроизводства живой клетки. Пока невозможно сказать, как конкретно  происходило это развитие. В современной  природе мы наблюдаем конечный результат  того качественного скачка, который  привел в образованию живой клетки, и последовавшего за этим процесса биологической эволюции.

     Изучение  указанных систем дало важнейший  попутный результат: сформировалась фундаментальная  для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации составляющих ее структур. Эта идея, зародившаяся еще в 19 веке, обрела вид законченной концепции  биохимического единства живого в 1920-х  гг., благодаря трудам голландских  микробиологов А. Клюйвера и Г. Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонних исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего живого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др. 

     5. Функционирование  энергетики живого 

     Все функции живых систем, требующие  расходования энергии, должны обеспечиваться ею от некоторых внешних источников. Ими являются органические вещества с запасенной в них химической энергией. Часть организмов синтезирует  эти вещества внутри себя из неорганических веществ. Например, из углекислого газа и воды под действием солнечного света (такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окисления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называют автотрофами. Большинство автотрофов -- это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.

     Питательные органические вещества, поглощаемые  гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность из внешней  среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается путем  выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения  солнца.

     Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой системы  с внешней средой, состоит в  поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Эта цель достигается за счет отбора извне веществ и энергии, которые обеспечивают химический синтез необходимых организму соединений, а также вывод из живой системы  всего, что не может быть ею использовано. Метаболизм необходим для противодействия  увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой  системе.

     Между двумя типами организмов -- авто- и гетеротрофами -- существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растениями, передается через травоядных к хищникам; заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганические вещества. В последующем эти молекулы вновь могут участвовать в образовании живых систем. В итоге в биосфере сформировался глобальный круговорот веществ, который обусловлен так называемыми биогеохимическими циклами. Основными являются циклы обращения в биосфере воды, а также элементов, из которых состоят живые системы.

     Первоисточником энергетического потока, проходящего  сквозь все пищевые цепочки в  биосфере, служит энергия солнечного электромагнитного излучения, попадающая на поверхность Земли в видимом  диапазоне (свет). Финалом преобразований в пищевых цепочках является освобождение энергии в виде тепла при переработке  микробами органических остатков. Вся  высвободившаяся в процессе жизнедеятельности  в биосфере энергия возвращается поверхностью Земли в мировое  пространство главным образом в  виде электромагнитного излучения  инфракрасного диапазона.

     В глобальном энергетическом балансе  принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового  излучения, переизлучаемого нашей планетой. За счет этой отрицательной разности энтропии на поверхности Земли возможно образование и поддержание упорядоченных структур (как это происходит и во многих других природных системах). Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность в которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса. 

     6. Особенности термодинамики,  самоорганизации  и информационного  обмена в живых  системах 

     Живая система, как и любая иная природная  система, подчиняется законам термодинамики. Элементы живого организма (да и всех живых систем вообще) постоянно разрушаются  и строятся вновь. Этот процесс носит  название биологического обновления. Для его обеспечения требуется  непрекращающийся приток извне вещества и энергии, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые функционирующие организмы обязательно являются неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Благодаря потокам вещества и энергии, проходящим через эти системы, они являются также неравновесными. Если условия существования системы неизменны, то указанные потоки постоянны. В этом случае неравновесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динамическим равновесием).

     Подобно тому, как в термодинамике равновесных  систем особым состоянием является равновесное  состояние, в термодинамике неравновесных  систем особую роль играют стационарные состояния. Для живых систем, которые  всегда неравновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает следующее:

     ѕ в течение времени жизни системы  ее элементы постоянно подвергаются распаду, обусловленному увеличением  энтропии;

     ѕ для компенсации возникающей в результате распада неупорядоченности в системе совершается работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся; эта работа обуславливает отрицательную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.

     Термодинамика помогает с принципиальной точки  зрения осмыслить факт наличия высокой  организации в живых системах. Но механизм поддержания такой упорядоченности  можно раскрыть, лишь привлекая представления  теории управления и кибернетики (науки  об управлении и передаче информации в машинах, живых организмах и  социальных структурах).

     В живой системе реализуется механизм самоуправления и самоорганизации  на основе непрерывного обмена информацией  с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим организмом реакций, направленных на максимальное его приспособление к изменяющимся условиям. Самоорганизация -- это процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне. Самоорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей между ее элементами.

     Самоуправление  в живых системах и цели, которые  оно преследует, имеют многоуровневый характер, а между уровнями существует подчиненность (иерархия). Цель первого  порядка -- обеспечить существование системы. Она достигается поддержанием неравновесного стационарного состояния, После достижения этой цели живая система осуществляет поддержание постоянства параметров внутренней среды -- гомеостаз (цель второго порядка). Гомеостаз является необходимым условием высокого качества функционирования системы. Цель третьего порядка -- достижение оптимальных в данных условиях показателей существования живой системы, в частности максимальной энергетической эффективности и надежности ее функционирования.

     Важнейшим информационным аспектом в функционировании живых систем является наличие в  них так называемых обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации.