Биологический уровень организации материи. Порядок и беспорядок в природе

Основные данные о работе

Конспект

1 Особенности биологического уровня организации материи

1.1 Специфика и системность живого

Вопрос о сущности жизни до сих пор является одним из центральных вопросов естествознания, несмотря на то что дискуссии о том, что такое жизнь, отражают различные точки зрения. Все исследователи признают одно общее неотъемлемое свойство живого – его системный характер, или системность.

Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющий новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов.

Целостная система (ткани, органы – элементы, живая система – организм) образуется лишь в результате соединения составных элементов в порядке, который сложился в процессе эволюции. Целостной живой системе присущи следующие качества:

– множественность элементов;

– наличие связей между элементами и окружающей средой;

– согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.

Определения жизни:

1) высшая из природных форм движения материи характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу кото-рых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения;

2) самоподдержание, самовоспроизведение и саморазвитие больших систем, элементарно состоящих из сложных органических молекул, происходящее в результате обмена веществ внутри этих молекул и между ними, и одновременно с внешней средой на основе затраты получаемой извне энергии и информации.

В настоящее время описано более 1 млн видов животных, около 0,5 млн растений, сотни тысяч видов грибов, более 3 тысяч видов бактерий. Причем число неописанных видов около 1 млн.

1.2 Основные свойства живых систем

1. Единство химического состава. Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах ~ 98 % химического состава приходится на шесть элементов:

1) кислород (~62 %);

2) углерод (~20 %);

3) водород (~10 %);

4) азот (~3 %);

5) кальций (~2,5 %);

6) фосфор (~1,0 %).

Кроме того, живые системы содержат совокупность сложных полимеров, в основном белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т.д., которые неживым системам не присущи.

2. Открытость живых систем. Живые системы – открытые системы. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ – метаболизм. Основа метаболизма – анаболизм (ассимиляция), то есть синтез веществ, и катаболизм (диссими-ляция), то есть распад сложных веществ на простые с выделением энергии, которая используется для биосинтеза.

3. Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, самоорганизующиеся системы.

Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические или какие-либо другие показатели системы.

Самоорганизация – свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления. При саморегуляции и самоорганизации управляющие факторы воздействуют на систему не извне, а возникают в ней самой в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. Это означает, что живые системы – самоуправляющиеся системы.

4. Живые системы – самовоспроизводящиеся системы. Живые системы существуют конечное время. Поддержание жизни связано с самовоспроизведением, благодаря чему живое существо воспроизводит себе подобных.

5. Изменчивость живых систем. Изменчивость связана с приобретением организмом новых признаков и свойств. Это явление противоположно наследственности и играет роль в процессе отбора организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям.

6. Способность к росту и развитию. Рост – увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения; рост сопровождается развитием, то есть возникновением новых черт и качеств. Развитие может быть индивидуальным (онтогенез), когда последовательно проявляются все свойства организма, и историческим, которое сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением живой системы (филогенез).

Онтогенез – индивидуальное развитие организма, охватывающее все изменения от момента зарождения до окончания жизни.

Филогенез – историческое развитие организмов или эволюция органического мира.

7. Раздражимость – неотъемлемая черта всего живого. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды к живой системе и проявляется в виде реакций системы на внешние воздействия.

8. Целостность  и дискретность. Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Например: организм состоит из клеток, являющихся живыми системами; биоценоз состоит из совокупностей различных видов, которые также являются живыми системами. 
С дискретностью связаны различные уровни организации живых систем, о чем будет сказано ниже. Вместе с тем живая система целостна, поскольку входящие в нее элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи с другими элементами системы.

Специфика живого заключается в том, что ни один из перечисленных признаков (а их число составляет по данным разных ученых до 20–30) не является самым главным, определяющим для того, чтобы систему можно назвать целостной живой системой. Только наличие всех этих признаков вместе взятых позволяет провести границу между живым и неживым в природе. Единственный способ дать определение живому – перечислить основные свойства живых систем.

Одной из важнейших концепций, специфичной для биологии XX в., стала концепция структурных уровней организации живой природы, находящихся между собой в отношениях иерархического соподчинения. Эта точка зрения – результат применения системного подхода, родившеегося в XX веке.

1.3 Уровни организации живых систем

Уровни организации живых систем представляют собой некую упорядоченность, иерархическую систему, которая является одним из основных свойств живого (таблица

Таблица 1. Иерархическая система организации живых систем

Каждая живая система состоит из единиц подчиненных ей уровней организации и является единицей, входящей в состав живой системы, которой она подчинена. Например, организм состоит из клеток, являющихся живыми системами, и входит в состав организменных биосистем, таких как популяции, биоценозы.

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Так, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным уровнем, характер организменного – клеточным; популяционно-видовой – организменным и т.д.

Характеристика структурных уровней живого

Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых азотистых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к самовоспроизведению. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина протерозойской эры ~2000 млн лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом.

Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне.

Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений.

Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка – клеток, тканей, органов, а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов (организмы, особи), имеющих свои отличительные черты.

Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция – это надорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов.

Биоценотический уровень. Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.

Биосферный уровень. Совокупность биогеоценозов составляет биосферу и обусловливает все процессы, протекающие в ней.

Таким образом, мы видим, что вопрос о структурных уровнях в биологии имеет некоторые особенности по сравнению с его рассмотрением в физике. Эта особенность состоит в том, что изучение каждого уровня организации в биологии ставит своей главной целью объяснение феномена жизни. Действительно, если в физике деление на структурные уровни материи в достаточной степени условно (критериями являются масса и размеры), то уровни материи в биологии отличаются не столько размерами или уровнями сложности, но главным образом, закономерностями функционирования.

Действительно, если, например, исследователь изучил физико-химические свойства биологического объекта и его структуру, но не установил его биологического назначения в целостной системе, это будет означать, что изучен ещё один определенный объект, но не уровень живой материи.

Ещё одна особенность структуризации живой материи состоит в иерархической соподчиненности уровней. Это означает, что низшие уровни как единое целое входят в высшие.Эта концепция структуризации получила название «многоуровневой иерархической матрешки».

Важно отметить также, что число выделяемых в биологии уровней зависит от глубины профессионального изучения мира живого.

2 Принципы воспроизводства живых  систем

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие в свою очередь строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы – гигантские молекулы (полимеры), построенные из множества мономеров. Существуют три типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат соответственно моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды играют роль резерва энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза.

Белки – это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот – органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (-NH2). В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. Они образуют широкий ряд химических связей с различными реакционноспособными группами, что существенно для структуры и функций белков. В клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, но в состав белков входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями, определяет первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50 % общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Также белки играют роль переносчиков, например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения – результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Есть белки – антитела, функцией которых является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация, поступающая из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы обмена веществ в клетке. Существуют три основных типа обмена веществ (метаболизма):

– катаболизм, или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей;

– амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул;

– анаболизм, или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул – белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и производства белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам. Кроме того, как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством – молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью (от греч. cheir – рука). Это свойство жизни было открыто Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения – солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы солей, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. они являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения свойство оптической изомерии отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтвердились, и считается доказанным, что молекулярная хиральность присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация), нуклеиновые кислоты – из сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, 
то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пишу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Также Пастера волновал вопрос, как возникло это явление, как оно связано с истоками самой жизни на нашей планете. Он считал, что появление жизни, живых дисимметричных молекул происходило из неживых симметричных молекул. В качестве возможных причин превращения неживой молекулярной симметрии в живую, молекулярную дисимметрию Пастер называл мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны. Но попытки экспериментально проверить эту гипотезу путем моделирования таких условий в лаборатории ни к чему не привели.

Нуклеиновые кислоты – это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды). Молекула нуклеотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов (швейцарским биохимиком Ф. Мишером). Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

Доказательство генетической роли ДНК было получено в 1944 г. О. Эйвери в опытах на бактериях. Тогда же было установлено, что в ДНК используется только четыре азотистых основания – аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). В состав РНК вместо тимина входит урацил (У). Аденин и гуанин – это пуриновые основания, цитозин и тимин – пиримидиновые.

24 апреля 1953 г. произошло одно из  величайших открытий в биологии. В этот день была опубликована статья американского биохимика Джеймса Уотсона и английского биофизика Френсиса Крика, раскрывающая структуру молекулы ДНК. Рентгеносруктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого – два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А–Т и Г–Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплиментарной цепи молекулы.

Ген – это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4–6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК – 10–25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше – в 1941 г., когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: один ген – один белок. Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка.

После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, каким образом всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну амино-кислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

В живой клетке имеются органеллы – рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из двадцати возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Кодоны могут образовываться следующими триплетами – АЦА, АГЦ, ГГГ, ЦГГ и т.д. Полное число таких триплетов – 64. Из них три являются стоп-сигналами, а 61 кодирует 20 аминокислот. Размер гена связан с размером того белка, который им кодируется. Так, белок, состоящий из 
200 аминокислот, будет закодирован 200 кодонами, т.е. 600 парами нуклеотидов. Таким образом, молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например АЦАТТГГАГ. В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма – человека, дельфина и т.д.

Генетический код не сводится только к кодонам. На основе кодонов образуются более крупные комплексы – цистроны, которые определяют последовательность аминокислот в системе «белок – фермент». Блоком цистронов управляет оперон.

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, говорит о происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей:

1) репликации;

2) транскрипции;

3) трансляции.

Репликация – это удвоение молекул ДНК.

Основой репликации является уникальное свойство ДНК самокопироваться, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к ней. При этом Т в новой цепи располагается против А в старой и т.д. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая – новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям.

Транскрипция – это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК.

И-РНК – это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция – это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых частях клетки – рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.

3 Основы генетики

Генетика как наука возникла в начале XX в., хотя один из ее основоположников, австрийский естествоиспытатель Грегор Мендель, проводил свои опыты еще в 60-х гг. XIX в. В 1868 г. он поставил опыты по скрещиванию гороха, в которых доказал, что наследственность не имеет промежуточного характера, а передается дискретными частицами. Сегодня мы называем эти частицы генами. Результаты своих наблюдений Мендель отразил в опубликованной им научной статье, которая, к сожалению, осталась незамеченной.

Те же самые выводы были вновь получены в 1900 г., когда три исследователя – X. Де Фриз, 
К. Корренс и Э. Чермак – провели свои эксперименты, в которых переоткрыли правила наследования признаков. Поэтому основателями новой науки считаются вышеназванные ученые. А свое название генетика получила в 1906 г., дал его английский биолог У. Бетсон.

Огромную роль в становлении генетики сыграл датский исследователь В. Иогансен, который ввел основные термины и определения, используемые в этой науке.

Среди них важнейшим является понятие гена – элементарной единицы наследственности. 
Он представляет собой внутриклеточную молекулярную структуру. Как мы знаем сегодня, ген – это участок молекулы ДНК, находящийся в хромосоме, в ядре клетки, а также в ее цитоплазме и органоидах. Ген определяет возможность развития одного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. Как мы говорили выше, число генов в крупном организме может достигать многих миллиардов. В организме гены являются своего рода «мозговым центром». 
В них фиксируются признаки и свойства организма, передающиеся по наследству. Совокупность всех генов одного организма называется генотипом.

Совокупность всех вариантов каждого из генов, входящих в состав генотипов определенной группы особей или вида в целом, называется генофондом.

Комплекс внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе индивидуального развития, называется фенотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем – наследственность и изменчивость, т.е. способность живых организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение, а также приобретать новые качества. Наследственность создает непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряде поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество комбинаций прежде существовавших и новых признаков живых организмов.

3.1 Генетика о наследственности

В основу генетики легли законы наследственности, обнаруженные австрийским ученым  
Г. Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха.

Скрещивание двух организмов называется гибридизацией, потомство от скрещивания двух особей с различной наследственностью называется гибридным, а отдельная особь – гибридом.

В ходе этих исследований им были открыты количественные закономерности наследования признаков, позже названные в честь первооткрывателя законами Менделя.

Первый закон Менделя описывает закономерности скрещивания двух организмов, относящихся к разным чистым линиям, то есть двух гомозиготных организмов, в генотипах которых есть по два одинаковых аллельных гена. Если эти организмы отличаются друг от друга только одной парой альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей. Выбор этого признака зависит от того, какой из генов является доминантным, а какой рецессивным. В первом поколении все гибриды будут показывать доминантные признаки.

Второй закон Менделя гласит, что при скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозиготных особей – признак в таком случае записывается как Аа)во втором поколении (F2) наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: 
по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1, или Аа + Аа = АА + 2Аа + аа.

Третий закон Менделя описывает скрещивание двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков. При этом гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.