Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

и вследствие вращения атомы тяжелых элементов смещались к центру, а на поверхности концентрировались атомы легких элементов (углерод, азот, водород, кислород). Позже при дальнейшем охлаждении появились метан, вода, двуокись углерода, аммиак, молекулярный водород, азот. Физические и химические свойства воды и углерода определили их роль в зарождении жизни. При падении температуры поверхности Земли ниже 100 °С произошла конденсация водяных паров, что привело к грозам и ливням. Образовались водоемы, в которых появились простейшие органические соединения (простые молекулы).

Образование сложных органических соединений – следующий этап биогенеза. Повышение температуры в океанах, ультрафиолетовое излучение Солнца, грозовые электрические разряды привели к усложнению молекул. Простые органические соединения усложнялись, что привело к образованию полимеров: полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеиновых кислот. Это было подтверждено экспериментально американским биологом С. Миллером в 1953 году.

Позже в лабораторных условиях были получены молекулы белка.

В составе живых организмов 16 химических элементов, в неживой природе – более 110 элементов. В живой природе углерод, водород, кислород и азот составляют 99 % массы живого вещества. Основу живого составляет углерод. Молекулы углерода присущи как живому, так и неживому.

Живое состоит из мономеров, которые образуют макромолекулы. В живых организмах важную роль играют три класса мономеров: аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды. Многие аминокислоты получены абиогенным путем в условиях, моделирующих атмосферу первобытной Земли.

Живые организмы состоят из биополимеров: белков, нуклеиновых кислот и липидов. Белки построены из остатков 20 аминокислот. Играют первостепенную роль в жизнедеятельности всех организмов, участвуя в их строении, развитии и обмене веществ. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) – фосфорсодержащие биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Существует два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК содержит генетическую информацию. РНК ответственна за создание белков. Через нуклеиновые кислоты реализуется механизм

61

наследственности. Первые обособленные мелкие структуры

вводном растворе А. Опарин назвал коацерватами. Коацерваты обладают рядом свойств примитивных живых систем. Они способны к поглощению из окружающей среды различных веществ, но не обладают способностью к саморегуляции и самовоспроизведению, что присуще живым системам. Переход от коацерватов к живым системам пока не решен.

Собразованием коацерватов В. Вернадский связывал первичный круговорот веществ в природе, обусловленный взаимным обменом органических веществ в процессе их синтеза или распада. Более устойчивые сохранялись, а неустойчивые – распадались.

Переход к самовоспроизведению – качественный скачок

вэволюции материи. Как произошел этот скачок, пока ясно лишь гипотетически. Наиболее перспективные направления поиска ответа: принцип самоорганизации и представления о гиперциклах. Биологические системы – открытые системы, условием существования которых служит обмен энергией, веществом и информацией, как между частями системы, так и с окружающей средой. В гиперциклах происходит саморегуляция химических реакций. Гиперциклы определяют репродукцию последующих белков, а также осуществляют роль самовоспроизводящейся системы химических реакций1.

Гиперциклы могли быть мостиком перехода от молекул неживой природы к молекулам живой. Клетка – элементарная единица живого. Клетке присущи все признаки живого: раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Полная замена клеток крови человека происходит за четыре месяца. Появление клетки – начало биологической эволюции жизни.

4.5. Основы генетики. Воспроизводство жизни

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости живых организмов и ме-

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 233.

62

тодах управления ими. Основы генетики заложил Г. Мендель (1865 г.). В ее основу легли закономерности наследственности, обнаруженные Г. Менделем при скрещивании гороха различных сортов, а также мутационная теория Х. Де Фриза (1901–1903). Термин «генетика» предложил в 1906 году У. Бэтсон. Рождение генетики принято относить к 1900 году, когда Х. Де Фриз, К. Корренс и Э. Чермак вторично открыли законы генетики.

Основные понятия генетики. Ген – участок молекулы ДНК, определяющий возможность развития одного признака или синтеза белковой молекулы. Геном человека содержит несколько десятков тысяч генов.

Генотип – совокупность всех генов одного организма, генетическая конституция организма, совокупность всех наследственных задатков данной клетки или организма.

Генофонд – совокупность генов, которые имеются у особей данной популяции, группы популяций или вида. Термин введен А.С. Серебровским в 1928 году.

Гамета – половая репродуктивная клетка животных и растений. Имеет одинарный набор хромосом. Две гаметы, сливаясь при оплодотворении, образуют зиготу с диплоидным набором хромосом, которая дает начало новому организму.

Зигота – клетка, образовавшаяся при слиянии двух гамет (мужской и женской).

Гомозиготные организмы – организмы, имеющие единообразные наследственные признаки.

Гетерозиготные организмы – организмы, имеющие различные наследственные признаки.

Алельные гены – гены, расположенные на одних и тех же участках хромосом и определяющие развитие одного признака.

Фенотип – совокупность всех признаков одного организма, сформированных в процессе его индивидуального развития.

Доминантные гены – гены, проявляющиеся у гибридов и подавляющие развитие одного признака. Обозначаются прописной буквой: А, В, …

Рецессивные гены – гены, подавляемые доминантными, не проявляющиеся у гибридов первого поколения. Обозначаются строчной буквой: а, в, …

Закономерности наследственности. Наследственность – это свойство организмов обеспечивать материальную и

63

функциональную преемственность между поколениями. Исторически возникло и развивалось представление о наследственности как отражении существования материальной субстанции, обеспечивающей сходство организмов в ряду поколений. Современная генетика базируется на следующих положениях1.

1.Наследственность является дискретным, жизненно важным свойством всех живых организмов, наследственность обеспечивает индивидуальное развитие организмов в определенной среде.

2.На основе изменчивости возникло многообразие жизненных форм и стала возможной биологическая эволюция.

3.В основе индивидуального развития организмов лежат биохимические процессы, наследственно запрограммированные в молекулах ДНК и РНК. Наследственная информация передается с помощью генов, участков молекулы ДНК, определяющих характер биохимических реакций, которые обеспечивают проявление одного признака.

4.Наследственная информация содержится в ядре клетки

ив небольших количествах – митохондриях и хлоропластах. Г. Мендель при скрещивании двух рас садового гороха

обнаружил, что в первом поколении гибриды были одинаковыми. Все семена были желтыми. В последующем признак, подавляющий проявление другого признака, был назван доминантным (желтая окраска семядолей), а подавляемый признак, не проявляющийся у гибридов первого поколения, назвали рецессивным (зеленая окраска семядолей). При скрещивании гибридов первого поколения Мендель установил, что во втором поколении оказалось 25 % зеленых семян и 75 % – желтых. На основании этих исследований были сформулированы законы многогибридного скрещивания – законы Г. Менделя.

Первый закон Менделя, или закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании особей, различающихся вариантами одного признака (аллельными генами), в первом поколении проявляется только один признак – доминантный. Все гибриды могут иметь фенотип одного из родителей.

Второй закон Менделя, или закон расщепления, гласит, что при скрещивании гибридов первого поколения между

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 252.

64

собой среди гибридов второго поколения в определенных соотношениях проявляются особи с фенотипами исходных родительских форм и гибридов первого поколения. При этом расщепление по генотипу и фенотипу различно. Гибриды второго поколения расщепляются по фенотипу в отношении 3:1, а по генотипу – в отношении 1:2:1.

Третий закон Менделя, или закон комбинирования признаков, применим к более сложным вариантам исследования, когда родительские особи отличаются друг от друга по двум и более признакам. В таких случаях гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

В начале XX в. Т.Х. Морган создал хромосомную теорию наследственности, учение о локализации наследственных факторов в хромосомах клеток. Ее основные положения1:

1.Гены располагаются в хромосомах в линейном порядке

вопределенной последовательности; каждый ген занимает определенное место (локус) в хромосоме.

2.В гомологичных хромосомах аллельные гены занимают одно и то же место.

3.В результате удвоения хромосом происходит удвоение генов.

4.Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления.

5.Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида.

6.Нарушение сцепленного наследования признаков может быть результатом кроссинговера (от англ. crossingover) – взаимного обмена участками парных хромосом, что приводит к перераспределению (рекомбинации) сцепленных генов.

7.Один ген может определить один или несколько признаков; также возможно и противоположное явление, когда несколько генов определяют развитие одного признака.

8.Гены относительно стабильны, но под влиянием факторов внешней среды способны к мутациям.

Генетика выявила механизмы наследования пола. У человека 23 пары хромосом. 22 пары одинаковы как у женского, так и мужского организма. Одна пара различна. У

мужчин одна Х-хромосома, другая – Y-хромосома. Женские

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 253, Биологический энциклопедический словарь. с. 694, с. 395.

65

половые клетки (яйцеклетки) одинаковы (несут по Х-хро- мосоме). Мужские половые клетки (сперматозоиды) различаются по наличию половых хромосом (Х или Y). При определении пола человека решающую роль играет Y-хро- мосома. Наследственный материал располагается в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Наследственность сопровождается изменчивостью, под которой понимают способность живых организмов приобретать новые признаки.

Различают наследственную (генотипическую) и ненаследственную (модифицированную) изменчивость. Проявление наследственности осуществляется в непрерывной живой материи при смене поколений.

Мутация (от лат. mutatio – изменение) – внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Мутации повышают генетическое разнообразие внутри вида. Мутации присущи всем живым организмам. Основы учения о мутациях заложены Х. Де Фризом в 1901 году.

Генетическая инженерия – раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена. Возникла в 1972 году, когда в лаборатории П. Берга (Станфордский университет, США) была получена первая рекомбинированная ДНК. Назначение генной инженерии – внедрение в живой организм чужеродных генов с целью создания новых генотипов. Вводя в клетку генетическую информацию в виде молекул ДНК, можно получить измененный организм.

На основе генной инженерии возникла новая отрасль фармацевтической промышленности – микробиологический синтез, с помощью которого получены инсулин, интерферон, которые используются в лечебной практике. С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК) можно определить заряженность крови вирусом СПИДа. Генная инженерия позволила оплодотворять яйцеклетку в пробирке с последующей имплантацией ее зародышей в матку. В мире десятки тысяч «детей из пробирок».

Генная инженерия за короткий срок оказала большое влияние на развитие различных молекулярно-генетических

66

методов и позволила значительно продвинуться в познании строения и функционирования генетического аппарата.

4.6. Биосфера, ее структура и функции

Биосфера (от греч. bios – жизнь и sphaira – шар). Этот термин предложил в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс (1831–1914). Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочки Земли восходят к Ламарку. Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. В 1926 году вышла его книга «Биосфера», в которой впервые дано представление о биосфере Земли как о планетарной оболочке, наполненной организмами.

Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), который задерживает коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, губительную для жизни. В гидросфере земной коры живые организмы встречаются в водах Мирового океана на глубине 10–11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5– 7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии». Живое вещество выполняет ведущие функции в формировании земной коры. Все живое разделено на пять видов (царств): бактерии, водоросли, грибы, растения и животные. На Земле существует 500 тысяч видов растений и 1,5 млн видов животных.

Живое вещество обладает рядом специфических свойств1:

1.Живое вещество характеризуется большой свободной энергией.

2.В живом веществе химические реакции протекают в тысячи (иногда в миллионы) раз быстрее, чем в неживом веществе (историческое и геологическое время).

3.Химические соединения, входящие в состав живого (белки и др.), устойчивы только в живых организмах.

4.Живому веществу присуще движение – пассивное, обусловленное ростом и размножением, и активное – в виде направленного перемещения предметов. Первое является

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 261–262, 263.

67

свойством всех живых организмов, второе характерно для животных и в редких случаях – для растений.

5.Для живого вещества характерно гораздо большее химическое и морфологическое разнообразие, чем для неживого.

6.Живое вещество в биосфере Земли находится в виде дискретных тел – индивидуальных организмов. Размеры и масса живых организмов колеблется в диапазоне более 109 .

7.Живое вещество возникает только из живого и существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.

Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и поверхностном слое Мирового океана. Растения на Земле составляют 21 % от общего числа видов, образуя 99 % общей биомассы. Среди животных 96 % видов – беспозвоночные, 4 % – позвоночные. Живое вещество составляет 0,001–0,02 % от косного вещества биосферы. Косное вещество – это атмосфера, газы, горные породы. Ежегодно растения и животные воспроизводят около 10 % биомассы. Растения образуют до 100 млрд т органических веществ и фиксируют 9 · 1020 Дж энергии солнечной радиации, усваивают из атмосферы до 170 млрд т углекислого газа и разлагают до 130 млрд т воды, выделяя до 115 млрд т свободного кислорода. Как первичные продуценты органических веществ растения – определяющее звено в сложных цепях питания всех гетеротрофных организмов, населяющих Землю.

Живое вещество в биосфере выполняет функции:

1.Энергетическая функция – поглощение солнечной энергии и энергии при хемосинтезе1, дальнейшая передача энергии по пищевой цепи.

2.Концентрационная функция – избирательное накопление определенных химических веществ.

3.Средообразующая функция – преобразование физи- ко-химических параметров среды.

4.Транспортная функция – перенос веществ в вертикальном и горизонтальном направлении.

5.Деструктивная функция – минерализация необиогенного вещества, разложение неживого неорганического вещества.

Постоянно происходит циркуляция веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

1 Хемосинтез – тип питания бактерий, основанный на усвоении СО2 за счет окисления неорганических соединений.

68

Деятельность человека негативно влияет на биосферу, что может привести к гибели всего живого на планете. Человек должен соизмерять и согласовывать свою деятельность с законами биосферы.

Живое вещество распределено в биосфере неравномерно. «Живые организмы, – писал В.И. Вернадский, – являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей. Для того, чтобы в этом убедиться, мы должны выразить живые организмы как нечто целое и единое. Так выраженные организмы представляют живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов,

вданный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением» 1.

Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо. Живые и неживые вещества в биосфере образуют единую систему, для которой характерно:

1.Самосогласованность всех процессов в биосфере.

2.Земные преобразования энергии являются отражением гармонии космоса. Солнце как основной источник энергии биосферы регулирует жизненные процессы на Земле.

3.Живое вещество трансформирует солнечную энергию

вэнергию химических связей сложных органических веществ. Сущность живого постоянна, а форма существования живого изменяется. Живое вещество не является случайным созданием, а есть результат превращения солнечной световой энергии в энергию Земли.

4.Чем мельче организмы, тем с большей скоростью они размножаются. Скорость размножения зависит от плотности живого вещества.

5.Автотрофные организмы получают все необходимые для жизни вещества из окружающей косной материи. Для жизни гетеротрофов необходимы готовые органические соединения. Распространение фотосинтезирующих организ-

мов (автотрофов) ограничивается возможностью проникновения солнечной энергии.

1 В.И. Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М, 1987, с. 52.

69

6.Активная трансформация живым веществом космической энергии сопровождается стремлением к максимальной экспансии, к заполнению всего возможного пространства. Этот процесс Вернадский назвал «давлением жизни».

7.Формами нахождения химических элементов являются горные породы, минералы, магма, рассеянные элементы и живое вещество. В земной коре происходят постоянные превращения веществ, круговороты, движение атомов и молекул.

8.Распространение жизни на нашей планете определяется полем устойчивости зеленых растений. Максимальное поле жизни ограничивается крайними пределами выживания организмов, которое зависит от устойчивости химических соединений, составляющих живое вещество, к определенным условиям.

9.Количество живого вещества в биосфере постоянно и соответствует количеству газов в атмосфере, прежде всего кислорода.

10.Всякая система достигает устойчивого равновесия, при котором свободная энергия системы приближается к нулю1.

Биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер В.И. Вернадский представил как биогеохимические циклы.

Сложившаяся в ходе развития биосферы направленность планетарных и региональных биогеохимических циклов привела к созданию устойчивого биогеохимического фона, характерного для той или иной местности.

Биосфера находится в постоянном развитии. В.И. Вернадский выделил три этапа в развитии биосферы.

Первый этап – возникновение биотического круговорота веществ. До создания В.И. Вернадским биогеохимии и учения о биосфере в науке существовало представление о замкнутых круговоротах вещества и энергии. В дальнейшем была доказана разомкнутость круговоротов.

Второй этап – усложнение структуры биосферы в связи

споявлением одноклеточных и многоклеточных организмов. Характерный признак многоклеточных – качественная неравноценность клеток, их дифференцировка и объединение

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 266.

70