ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.01.2020
Просмотров: 1322
Скачиваний: 3
Многообразие живого мира требует и многообразия наук, его изучающих. В настоящее время биологами обнаружено и описано около одного миллиона видов животных, около полумиллиона растений. Причем неисследованного здесь еще достаточно много. По некоторым оценкам, число видов, которые требуют своего изучения, составляет около одного миллиона.
Биология в своем развитии прошла несколько этапов:
• этап систематики (К. Линней);
• эволюционный этап (Ч. Дарвин),
• биология микромира (Г. Мендель).
Однако во все времена одной из центральных проблем биологии была проблема сущности жизни и ее происхождения. Дать определение понятию «жизнь» достаточно сложно. Так, широко известно определение жизни, сформулированное Ф. Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей тел»*.
Это определение сейчас уже не отвечает уровню знаний о природе и сущности живого, хотя в нем обращается внимание на субстрат живого и закономерности существования живых организмов. Именно по этим направлениям и идет в современной биологии поиск специфики живого.
Уровень знаний конца XIX века позволял полагать, что основным субстратом жизни является белок. В свете современных представлений под субстратом жизни понимают весь комплекс веществ, принадлежащих двум классам биополимеров: белкам и нуклеиновым кислотам (ДНК и РНК). Характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Живое построено из тех же химических элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной их упорядоченностью на молекулярном уровне.
Жизнь существует в форме открытых систем, которые непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Э. Шредингер и Э. Бауэр установили принцип устойчивого неравновесия живых систем.
К числу закономерностей, совокупность которых характеризует жизнь, относятся:
• самообновление, связанное с потоком вещества и энергии;
• самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации;
• саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.
Перечисленные закономерности обуславливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое (родовое) развитие.
Учитывая все изложенное, среди современных определений жизни выделим следующие: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению (М. Волькенштейн); жизнь —закодированная информация, которая сохраняется естественным образом (Ф. Типлер).
Все многообразие организмов можно свести к двум различным группам — неклеточные и клеточные формы жизни. К неклеточным относятся вирусы. Основную массу живых существ составляют организмы, обладающие клеточной структурой. Они делятся, в свою очередь, на две категории: не имеющие типичного ядра (прокариоты) и обладающие типичным ядром (эукариоты). К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли, к эукариотам — все остальные растения и животные.
Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности, поскольку существуют переходные формы (вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, у них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты).
В середине ХХ века в биологии сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одним из основных свойств живого. Биологические микросистемы представлены на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях; биологические мезосистемы — на тканевом, органном и организменном уровнях; биологические макросистемы —на популяционно-видовом, биоценотическом, биосфера в целом.
Итак, органический мир целостен, так как составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время дискретен.
Молекулярный уровень изучается молекулярной биологией. Жизненный субстрат для всех животных, растений и вирусов составляет двадцать одних и тех же аминокислот и четыре одинаковых основания, входящихв состав молекул нуклеиновых кислот. Наследственная информация у всех заложена в молекулах ДНК (за исключением содержащих РНК вирусов), способных к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется с участием молекул РНК.
Клеточный уровень также характеризует однотипность всех живых организмов. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации.
Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих дифференцированные ткани. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы.
На организменном уровне обнаруживается многообразие форм. На этом уровне протекают процессы онтогенеза. Каждый вид состоит из организмов, имеющих свои отличительные черты.
Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция —это элементарная единица эволюционного процесса, в ней начинаются процессы видообразования.
Биоценотический уровень связан с исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций разных видов. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.
Биосферный уровеньвключает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
Разделение живой материи на эти уровни является весьма условным и вместе с тем представление о них наглядно отражает системный подход к изучению природы, позволяющий глубже проникнуть в ее тайны.
Фундаментальной основой живого мира является клетка. Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа и его использование для изучения биологических объектов. Уже к 30-м годам XIX века накопилось немало работ о клеточном строении организма. Но именно М. Шлейден и Т. Шванн заложили основы клеточной теории, согласно которой клетка является главной структурной единицей всех организмов, а процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференциацию растительных и животных тканей. К концу прошлого века было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды(части клетки), исследованы пути образования новых клеток (митоз). А к началу XX века в биологии прочно утвердилась идея о первостепенном значении клеточных структур в передаче наследственных свойств. В настоящее время общепризнанно, что клетка является основной структурной и функциональной единицей организации живого. Именно благодаря клеточному строению организм является дискретным, сохраняет целостность.
Как правило, клетки обладают микроскопическими размерами. Строение клеток животных и растений в основных чертах сходно. В теле клетки различают цитоплазму и кариоплазму (ядро), являющиеся обязательными ее составными частями. Вещество ядра представляет собой плотный коллоид, содержащий белки и нуклеиновые кислоты. Составными частями ядра эукариотов являются ядерная оболочка, ядерный сок, ядрышки и хромосомы. Установлено, что каждый вид растений и животных имеет определенное и постоянное число хромосом (видовой признак). Хромосомы являются носителями наследственной информации. Выяснено, что наследственная информация дискретна, ее составляют многочисленные гены, расположенные вдоль хромосом в линейном порядке.
Изучение элементного химического состава протоплазмы подтвердило единство всей природы. Химические элементы, которые принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью, называются биогенными. Белки (протеины) составляют от 50 до 85% органических соединений, входящих в состав живых организмов. Белки включаются в состав всех клеток, клеточных организмов и межклеточных жидкостей. Н. Любавин установил, что белки состоят из аминокислот. В настоящее время известно более двадцати аминокислот.
Молекула белка —типичный полимер, в ней аминокислоты следуют одна за другой. Каждый вид организмов отличается своей специфичностью белков. Даже в одном организме белки различных органов неодинаковы. Аминокислоты в белковой молекуле имеют определенное пространственное расположение. Первичной структурой белковой молекулы является полипептидная цепь. Внутримолекулярные силы заставляют белковую цепь изгибаться, и возникает вторичная структура. Большинству молекул белка присуща третичная структура (глобулярная), в ряде случаев образуется и четвертичная.
В клетке белки выполняют структурные (основной строительный материал цитоплазмы, наружной и внутренней мембраны и т. д.), сократительные (обеспечивают явление раздражимости и движение), ферментативные функции (катализируют все реакции, протекающие в клетке).
Нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским врачом И. Мишером в 1870 году. С нуклеиновыми кислотами связаны процессы синтеза белка, а этим, в свою очередь, определяются характер обмена веществ, закономерности роста и развития, явления наследственности и изменчивости. В состав нуклеиновых кислот входят углерод, кислород, водород, азот и фосфор. Известны две группы этих кислот —РНК и ДНК. Они отличаются химическим составом и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты —биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды.
Основная биологическая функция белка заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении (репликации) и передаче генетической (наследственной) информации в клетке.
Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации.
Способность ДНК к авторепродукции вытекает из особенностей ее строения. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Порядок расположения оснований одной цепи определяет их порядок в другой. Авторепродукция молекул ДНК происходит под воздействием фермента полимеразы. Предполагается, что при этом коплементарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, происходит точное воспроизведение «материнской» молекулы. В многообразных комбинациях нуклеотидов нитей ДНК закодирована программа синтеза множества белков.
РНК не имеет двойной спирали и построена подобно одной из цепей ДНК. Различают три вида РНК: рибосомальную, информационную и транспортную.
Синтез белков происходит следующим образом. Специальный фермент —полимераза, двигаясь по ДНК, создает одноцепочную молекулу и-РНК, в которой нуклеотиды расположены по принципу комплементарности (дополнительности) одной нити ДНК. Последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Генетический код, заложенный в ДНК, записывается на язык и-РНК. Молекула и-РНК проникает через мембрану ядра и в рибосомах осуществляет расшифровку кода с языка нуклеотидов на язык аминокислот. В синтезе белка принимает участие и транспортная РНК, которая доставляет к рибосомам аминокислоты. Структура рибосом определяется третьим видом РНК (рибосомная РНК).
Обмен веществ и энергии (метаболизм) — это процесс, лежащий в основе явлений жизни. Поток вещества и энергии, наблюдаемый в организме, обусловливает самовозобновление и самовоспроизведение. Совокупность процессов, соответствующих ассимиляции и приводящих к образованию веществ, которые входят в состав организма, получила название анаболизма. Совокупность процессов, соответствующих диссимиляции и приводящих к расщеплению сложных органических соединений организма, называется катаболизмом. По характеру ассимиляции все организмы делятся на гетеротрофные, автотрофные и миксотрофные. Гетеротрофные организмы нуждаются в готовых органических веществах, автотрофные синтезируют органические соединения своего тела из более простых, неорганических; миксотрофы занимают промежуточное положение.
По характеру диссимиляции организмы делятся на аэробные (использующие свободный кислород для процессов окисления) и анаэробные (у которых процессы диссимиляции происходят в бескислородной среде). Постоянно совершающийся процесс перехода химических элементов из одних соединений в другие, из состава земной коры в живые организмы, далее расщепление их на неорганические соединения и химические элементы и снова переход в состав земной коры называется круговоротом вещества и энергии.
Современная биология невозможна без теории эволюции. Идеи постепенного и непрерывного изменения всех видов растений и животных высказывались задолго до Ч. Дарвина многими учеными. В частности, Ж.-Б. Ламарк считал, что эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды, а все приобретенные живыми организмами благоприятные признаки оказываются наследственными и поэтому определяют ход дальнейшей эволюции. В первой половине XIX века уже был собран огромный материал из различных областей естествознания (геологии, палеонтологии, биогеографии, эмбриологии, сравнительной анатомии, учения о клеточном строении организмов, селекции), свидетельствующий в пользу эволюции. Создать эволюционную теорию смог Дарвин. Принципы его теории сводятся к следующим.
• Изменчивость свойственна организмам любого уровня, является общебиологическим свойством. Причину изменчивости Дарвин видел во влиянии окружающей среды. Он различал определенную и неопределенную виды изменчивости. Определенная изменчивость проявляется однотипно у особей, подвергшихся какому-либо определенному воздействию (модификационная изменчивость, происходящая в пределах нормы реакции). Неопределенная изменчивость (с современной точки зрения — это мутация) проявляется лишь у отдельных особей и происходит в различных направлениях. Эволюция связана именно с неопределенной изменчивостью.
• Изменчивость невозможна без наследственности. Если изменчивость обеспечивает разнообразие организмов, то наследственность — передачу изменений потомкам.