Биология — это комплекс наук о живой природе, который изучает строение и функции живых существ, их разнообразие, происхождение и развитие, а также взаимодействие с окружающей средой.
Биология — комплекс наук о живой природе, изучающий все проявления жизни. В настоящее время в состав биологии включают ботанику (растения), зоологию (животные), микробиологию (микроорганизмы), микологию (грибы), систематику, биохимию (химический состав живой материи и химические процессы в ней), цитологию (клетка), гистологию (ткани), анатомию (внутреннее строение), физиологию (процессы жизнедеятельности), эмбриологию (индивидуальное развитие), этологию (поведение), генетику (наследственность и изменчивость), селекцию (выведение организмов с нужными человеку свойствами), биотехнологию (использование живых организмов и биологических процессов в производстве), эволюционное учение (историческое развитие органического мира), палеонтологию (ископаемые останки), антропологию (историческое развитие человека как биологического вида), экологию (популяции, сообщества, биогеоценозы и биосфера). Развитие представлений об окружающей среде привело к возникновению такой науки, как экология, и формулировке учения о биосфере как о сложной многокомпонентной планетарной системе, что в конечном итоге позволяет хотя бы в небольшой степени уменьшить негативные последствия хозяйственной деятельности человека.
Биология сыграла немаловажную роль в становлении современной материалистической естественнонаучной картины мира, так как она раскрывает механизмы возникновения органического мира из неживых компонентов и его эволюции, доказывает единство его происхождения на основе строения клеток, а также обобщает механизмы наследственности и изменчивости.
На стыке биологии и других наук возник целый ряд новых наук, таких как биофизика, биохимия, бионика и др.
Основными методами биологии являются сравнительно-описательный, моделирование (создание упрощенных имитаций объекта или явления), мониторинг (систематическое наблюдение, оценка и прогноз изменений состояния объекта), световая и электронная микроскопия, дифференциальное центрифугирование, или фракционирование (разделение частиц под действием центробежной силы), метод меченых атомов, или радиоавтография, и др.
Живая природа является системой, компоненты которой можно расположить в строгом порядке: от низших к высшим. Данный принцип организации позволяет выделить в живой природе отдельные уровни и дает комплексное представление о жизни как о природном явлении. Живая природа является сложной, многокомпонентной и строго упорядоченной системой.
Иерархичность организации живой материи позволяет условно подразделить ее на ряд уровней. Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерархии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи: молекулярный, субклеточный, клеточный, органно-тканевой, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический, биосферный.
1. Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кислоты и др.
2. Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.
3. Клеточный. На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.
4. Органно-тканевой. На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.
5. Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.
6. Популяционно-видовой. На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).
7. Биоценотический. На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.
8. Биогеоценотический. На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
9. Биосферный. На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера – оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.
Необходимо отметить, что биогеоценотический и биосферный уровни организации живой материи выделяют не всегда, поскольку они представлены биокосными системами, включающими не только живое вещество, но и неживое. Также часто не выделяют субклеточный и органно-тканевой уровни, включая их в клеточный и организменный соответственно.
Предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней невозможно так же, как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджентность, то есть наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных элементов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составляющих системы значительно облегчает ее изучение. Таким образом, в науке вообще, и в экологии в частности, целесообразно оптимальное сочетание двух подходов к познанию окружающего мира – анализа и синтеза. Анализ – расчленение объекта на отдельные составляющие его элементы и их последующее изучение. Синтез – исследование объекта в целом.
Структурная организация прокариотической и эукариотической клеток
В природе существует огромное разнообразие клеток, различающихся размерами, формой, свойствами и процессами жизнедеятельности, которое, однако, можно подвести под два главных типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. К эукариотам относятся одноклеточные и многоклеточные растения, грибы, животные, т.е. все организмы, кроме бактерий. Клетки эукариот разных царств, различаясь рядом признаков, тем не менее характеризуются сходством строения.
Основными отличиями строения и жизнедеятельности прокариотических клеток от таковых эукариотических клеток являются следующие:
1. Клетка прокариот не имеет оформленного (ограниченного мембраной) ядра, наследственная информация в ней содержится в кольцевой молекуле ДНК. ДНК не заблокирована белками, в первую очередь гистона-ми, поэтому все гены в ней активны, т.е. постоянно функционируют. У эукариотических клеток имеется оформленное ядро, а генетический аппарат представлен молекулами ДНК в комплексе с белками - гистонами, упаковывающими ДНК в компактные структуры и регулирующими активность её генов.
2. Цитоплазма прокариотической и эукариотической клеток окружена мембраной (плазмолеммой), однако у бактерий, растений и грибов снаружи от плазмолеммы располагается клеточная стенка, образованная веществом полисахаридной природы муреином (бактерии), целлюлозой (растения) или хитином (грибы). Клеточная оболочка животной клетки образована плазмолеммой, покрытой снаружи слоем гликокаликса.
3. В цитоплазме прокариотической клетки отсутствуют мембранные органоиды (митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть, пластинчатый комплекс, лизосомы, пероксисомы), а ограниченное количество мембран представляет собой впячивания плазмолеммы внутрь цитоплазмы.
4. Синтез белка осуществляется свободными рибосомами, имеющими меньший размер (70S), чем рибосомы эукариотических клеток (80S). Большая субъединица рибосомы прокариотической клетки содержит 2 молекулы рибосомной РНК (рРНК), тогда как субъединица рибосомы эукариотической клетки - 3 молекулы рРНК.
5. Специальные органоиды прокариотической клетки - жгутики устроены проще, чем жгутики эукариотической клетки: они лишены внутреннего каркаса из микротрубочек и микрофиламентов.
6. В цитоплазме многих прокариотических клеток имеются газовые вакуоли.
7. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр.
8. Прокариоты размножаются простым делением клетки, у эука-риот имеет место половой процесс с образованием гамет
9. У прокариотических клеток отсутствует амебоидное движение и внутриклеточные перемещения цитоплазмы.
10. Синтез АТФ осуществляется в прокариотических клетках на мембране плазмолеммы.
Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами: одноклеточным и многоклеточным. Особенностью простейших (одноклеточных) организмов является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в физиологическом отношении - полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов, аппаратов и систем органов многоклеточного организма, таких, например, как цитостом, цитофаринкс и порошица (аналогичные органам пищеварительной системы), сократительные вакуоли (аналогичные выделительной системе).
При изучении ядра клетки более корректно использовать понятие «ядерный аппарат», поскольку у клеток бактерий оформленного ядра не имеется. Именно поэтому бактерии относят к прокариотам, или доядерным организмам (см. § 11). Оформленное ядро, состоящее из ядерной оболочки, ядерного матрикса и ядрышка, есть в клетках эукариот (растений, животных, грибов). Однако даже у этих организмов ядро выражено не во все периоды жизненного цикла клетки, а только в период интерфазы. Во время деления клетки ядро разрушается.
Строение ядерного аппарата. Ядерный аппарат неделящихся (интерфазных) клеток эукариотических организмов представлен оболочкой ядра, ядерным матриксом (его иногда называют ядерным соком, кариолимфой), хроматином и ядрышками (рис. 11). Обычно в клетке имеется одно ядро, иногда два (например, у инфузории-туфельки) или несколько ядер (в мышечных клетках или клетках грибов). Форма ядра различных клеток неодинакова: может быть округлой, овальной, бобовидной, палочковидной и др. Место расположения ядра варьирует в разных клетках. Оно может находиться в центре клетки или на периферии, как, например, в жировых клетках, клетках растений.
Ядерный аппарат клетки
Рис. 11. Ядерный аппарат клетки
Ядерная оболочка обнаруживается только под электронным микроскопом. Она состоит из двух мембран – наружной и внутренней. Мембраны разделены межмембранным пространством. Межмембранное пространство заполнено веществом, сходным с содержимым ЭПС.
Наружная мембрана ядерной оболочки составляет единое целое с мембранами шероховатой эндоплазматической сети, на ее поверхности расположены рибосомы. Внутренняя мембрана ядерной оболочки гладкая.
Ядерные поры, образованные белковыми гранулами и фибриллами, обеспечивают избирательный перенос веществ из цитоплазмы в ядро и обратно. Ядерные поры более многочисленны в ядрах активно функционирующих клеток и отсутствуют, например, в ядрах сперматозоидов.
Таким образом, оболочка не только ограничивает содержимое ядра. но и обеспечивает связь ядра с цитоплазматическими структурами.
Ядерный матрикс содержит воду и ряд растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, ферменты, ионы, продукты обмена веществ. В ядерном матриксе выделяется своеобразный ядерный скелет, состоящий из фибриллярной сети, пронизывающей все ядро. Здесь находятся хроматин и ядрышко.
Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка. Он обнаруживается в ядре клеток в виде мелких зернышек и глыбок. В действительности хроматин не является самостоятельной структурой. Это хромосомы, но только сильно деспирализованные в период интерфазы.
Хромосомы. В период интерфазы хромосомы представляют собой длинные, очень тонкие перекрученные нити. Под микроскопом они неразличимы как индивидуальные структуры. Таким образом, в неделящейся клетке хромосомы не видны, а зрительно обнаруживаются лишь зернышки и глыбки, которые условно называются хроматином. Репликация (самоудвоение) ДНК хроматина и спирализация тонких нитей происходят перед началом деления клетки. Затем спирализация хромосом продолжается на начальных стадиях деления клетки (профазе митоза), и хромосомы приобретают форму толстых нитей, палочек. Строение одной и той же хромосомы на равных ее участках неоднородно. В хромосомах различают первичную перетяжку (центромеру), делящую хромосому на два плеча (см. рис. 11). Первичная перетяжка (центромера) – это наименее спирализованная часть хромосомы. Место перетяжки у разных хромосом различно, но у каждой пары хромосом постоянное. Во время деления клетки к месту первичной перетяжки прикрепляются нити веретена деления. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку, располагающуюся вблизи одного из концов хромосомы.
Установлено, что каждому биологическому виду соответствуют определенное число и форма хромосом. Иначе говоря, число хромосом (n) и характерные особенности их строения являются видовым признаком. Так, в ядре каждой соматической клетки лошадиной аскариды имеются 2 хромосомы, у мухи дрозофилы – 8, у человека – 46 (см. рис. 11).
Все хромосомы, за исключением половых, парные, или гомологичные. Например, у человека всего 23 пары хромосом, из них 22 пары гомологичные (как у мужчин, так и у женщин). Хромосомы 23-й пары (половые хромосомы) гомологичны только у женщин. У мужчин половые хромосомы не гомологичны, они отличаются по форме, размеру, нуклеотидному составу. Гомологичные хромосомы имеют одинаковую форму, размеры, нуклеотидный состав, а значит, и одинаковые гены; у них совпадает расположение центромеры. Пары гомологичных хромосом имеются только в диплоидных клетках.
Пары гомологичных хромосом образуются при оплодотворении. Одна из каждой пары хромосом принадлежит яйцеклетке, другая попадает при оплодотворении с мужской половой клеткой.
Диплоидный набор (2n) хромосом имеют неполовые клетки, их называют соматическими. Совокупность всех хромосом любой клетки особи носит название кариотипа. Например, кариотип человека включает 46 хромосом, или 23 пары.
При сравнении кариотипов клеток мужской и женской особей одного вида обнаруживается их отличие по одной паре хромосом. Эта пара получила название половых хромосом. Все остальные пары хромосом одинаковы у особей обоих полов и называются аутосомами (от греч. autos – сам, soma – тело). В кариотипе человека содержится 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (см. рис. 11).
Половые клетки гаплоидны. Гаплоидный набор (n) хромосом составляет половину хромосомного набора диплоидной клетки. Так, в половых клетках человека – в яйцеклетках и сперматозоидах – содержится по 23 хромосомы, т. е. ровно в 2 раза меньше, чем в соматических (неполовых) клетках.
Ядрышко образовано деспирализованными участками хроматиновых нитей, которые кодируют синтез рибосомальной РНК (рРНК) и обеспечивают сборку рибосом. Число ядрышек в клетках разных организмов колеблется от 1 до 10.
В начале деления клетки (в профазе митоза) ядрышко исчезает. В последней стадии митоза – телофазе – ядрышко вновь формируется.
Ядерный аппарат клетки, представленный ядерной оболочкой, ядерным матриксом, хромосомами, ядрышком, составляет единое целое.
Подводя итог, отметим, что клетка – это сложное образование, состоящее из множества взаимосвязанных структур (см. рис. 7). В ней осуществляются многочисленные химические превращения: синтез сложных молекул белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и др.
Клетка – открытая живая система, которая может существовать только при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Она способна к росту, развитию и размножению. На нее влияют многие физические, химические и биологические факторы среды: температура, токсины вирусов, все виды ионизирующих излучений и др.
Клетки растений, животных, грибов имеют принципиальное сходство в строении и функциях, однако обладают и специфическими свойствами. Так, надмембранный комплекс растительной клетки представлен клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы. А клетки грибов покрыты оболочкой, в состав которой входит хитин. Надмембранный комплекс животной клетки составляют белки, соединенные с углеводами.
Для растительных клеток характерны хлоропласты, тогда как в клетках грибов и животных их нет. Клетки этих групп организмов отличаются по способу питания (подробнее см. § 20).
Другое различие между клетками групп организмов состоит в специфичности запасаемых питательных веществ. В грибных и животных клетках из углеводов запасается гликоген, в растительных – крахмал.