Тема 5. Современные концепции биологической формы организации материи. Проблемы генетики

В макромире самый сложный уровень организации материи биологический. Давайте на нем подробнее остановимся.

Мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. Как и на других уровнях организации, здесь существуют свои «кирпичики». На уровне, изучаемом физикой, такую роль играют физический вакуум и кварки, на уровне химической организации – атом, а в биологии – это информационные молекулы (ДНК, РНК, некоторые белки).

Отсюда первый уровень живых систем – молекулярный уровень, который включает в себя способ существования и самовоспроизводства сложных информационных органических молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, в последнее время к этому уровню стали относить организмы, не имеющие клеточного строения: вирусы.

Молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого. Основные кирпичики, из которых построена ДНК, – это нуклеотиды, связанные друг с другом в длинную полинуклеотидную цепь. Молекула состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом по принципу комплементарности: напротив аденина стоит тимин, напротив гуанина – цитозин. Вся молекула ДНК имеет по всей длине равную ширину и напоминает по внешнему виду скрученную лестницу. На одной цепи ДНК записана информация о химических превращениях, происходящих в клетке. Другая цепь является матрицей.

Гены, открытые Г. Менделем, на самом деле не что иное, как отрезки смысловой цепи ДНК. У человека их около 20 тыс. При делении клетки ДНК определенным образом сворачивается и образует новую структуру – хромосому. Все ДНК человека помещаются в 46 хромосом.

РНК – той же природы, что и ДНК. Информация, содержащая в гене ДНК, переписывается на матричные, или информационные РНК (мРНК, или иРНК). В цитоплазме находятся молекулы РНК еще двух классов– рибосомальные РНК (рРНК), они входят в состав рибосом, и – транспортные РНК (тРНК), и они оба играют ключевую роль в окончательной сборке молекулы белка. Процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле иРНК и рибосоме.

Белки – это цепочки аминокислот. Под действием взаимодействий между боковыми группами аминокислот, а также между аминокислотами и окружающей их водой белок принимает трехмерную форму.

Клеточный уровень организации

Клетка – это уже «кирпичик» организации системы более высокого уровня организации – многоклеточного организма. Установлено, что:

1. все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток;

2. химические реакции, происходящие в живых организмах, локализованы внутри клеток. Там осуществляется обмен веществ (дыхание, питание, выделение), раздражимость, движение, рост и развитие;

3. все клетки ведут начало от других клеток;

4. в клетках содержится наследственная информация, которая передается от одного поколения к следующему.

По сложности и красоте устройства живая клетка не уступает звездам и галактикам. Ее тщательно отлаженный механизм совершенствовался миллиардами лет эволюции. Сами клетки имеют различный уровень организации: у одних есть ядро – эукариоты (животные, растения и грибы), другие его не имеют – прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли). Размер эукариотов значительно превышает размер прокариотов (иногда более чем в тысячу раз).

Прокариоты не имеют мембранных органелл. Клетка состоит из плазматической мембраны, цитоплазмы и клеточной стенки. Обособленного ядра нет, имеется кольцевая двухцепочечная ДНК в центре цитоплазмы. В ДНК содержится до 1,5 тыс. генов, большинство которых представлены в виде одной копии.

У эукариотов (растения, животные и грибы) имеется ядро, в котором находятся хромосомы, образованные линейными двухцепочечными ДНК. В зависимости от вида число генов варьирует от 5 тыс. до 200 тыс. 45% всех генов представлено несколькими копиями, а число копий одного гена может достигать нескольких тысяч.

В эукариотических клетках имеются органеллы: эндоплазматическая сеть, где происходит синтез белков, аппарат Гольджи используемый как склад, вакуоли, лизосомы, необходимые для пищеварения, хлоропласты и митохондрии. Хлоропласты осуществляют в растениях фотосинтез, а митохондрии – энергетические станции клетки. Они осуществляют внутриклеточное дыхание. У растений и грибов клетки есть клеточная стенка. У животных клеточная стенка отсутствует. Многие клетки имеют органеллы передвижения – реснички, жгутики, ложные ножки. У одноклеточных организмов есть светочувствительные глазки, специальные приспособления для определения силы тяжести.

Уровень многоклеточного организма (организменный)

В многоклеточном организме клетки частично теряют свою самостоятельность: они начинают «работать» не только на себя, но и на весь многоклеточный организм.

Клетки образуют ткани. Ткань – это совокупность клеток, имеющих сходное происхождение, строение и функции. Каждый тип тканей имеет несколько видов. Несколько типов тканей образуют органы, которые имеют определенное строение, функцию и положение в теле. Органы, объединенные единой функцией и связанные в своем развитии, составляют систему органов. Например, пищеварительная, дыхательная, эндокринная и другие системы. Для выполнения какой-либо работы несколько систем объединяются в функциональную систему (например, при беге усиленно работают опорно-двигательная, дыхательная, кровеносная, нервная системы, а пищеварительная – нет). Все системы органов взаимосвязаны и объединены в единое целое – организм. Каждый организм – это чрезвычайно сложная система и по структуре, и по функциям, и по связи с окружающей средой.

Последующие уровни организации живых систем относятся к надорганизменным – это популяционный (видовой) и биогеоценотический (экосистемный), биосферный.

Популяционный или видовой уровень – самый мелкий уровень надорганизменных систем.

Видом считают совокупность особей, обладающих наследственными сходствами морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную область – ареал.

Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого:

• морфологический критерий (особенностей строения);

• генетический критерий (вид имеет свойственный только ему набор хромосом), поэтому виды не образуют гибриды или гибриды являются бесплодными;

• эколого-географический критерий (включающий ареал обитания и экологическую нишу);

• поведенческий критерий (у каждого вида свои характерные черты поведения, не понятные представителям других видов). Например, самцы зеленой суповой черепахи, ухаживая за самками, машут лапами у них перед носом. Представляете, если бы молодой человек таким бы образом стал ухаживать за девушкой?

Все эти критерии приводят к репродуктивной изоляции вида, невозможности скрещиваться с представителями других видов.

Особи любого вида распространены в пределах ареала неравномерно: густонаселенные участки сменяются редконаселенными, поскольку в разных участках ареала различные условия жизни. Совокупность особей одного вида свободно скрещивающихся между собой и относительно обособленных от других представителей этого вида, называют популяцией. Другими словами, в природе вид реально существует только в виде популяций, отсюда и двойное название уровня.

Причины возникновения разнообразия видов – мутации, изоляция и миграция особей, т.е. процессы видообразования, где единицей эволюции является популяция.

Биогеоценотический (экосистемный) уровень. Популяции разных видов связаны с факторами внешней среды и входят в состав природных комплексов. Такие комплексы (биогеоценозы или экосистемы) слагаются из абиотических, биотических и антропогенных факторов (№ 51).

Абиотические факторы – факторы неживой природы, определяющие условия жизни организмов. К ним относятся – свет, температура, влажность, соленость и кислотность, газовый и почвенный состав и т.д.

Биотические факторы – определенные виды растений, животных, микроорганизмов, живущих на данной территории и взаимосвязанных между собой, образующих самые разные внутривидовые отношения: конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиоз и др.

К антропогенным факторам относится влияние человека на ту или иную экосистему.

В свою очередь, экосистемы бывают разных уровней:

• микроэкосистемы (пень, лужа, кора дерева и др.);

• мезоэкосистемы (роща, пруд, луг и др.);

• макроэкосистемы (море, тундра, тропический лес и др.);

• и, наконец, самая крупная экосистема – мегаэкосистема (биосфера Земли).

Экосистема – не просто сумма популяций и условий среды, а система взаимодействий между ними. Благодаря этим взаимодействиям у экосистем появляются новые свойства, главное из которых способность к самоподдержанию благодаря круговороту веществ и потоку энергии.

Взаимосвязанность разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяет рассматривать все живые организмы и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему – биосферу.