3 часть материалов к тесту

Ряд органических веществ составляют основу живого, особой сферы действительности, подразделяющейся на клеточный, организменный, популяционный, биогеоценотический и биосферный уровни. Основы существования жизни рассматривает органическая химия, живое как целостную сферу мира – биология. Живое может определяться по своему составу (формируется на основе белков и органических соединений), а также по основным своим свойствам – самосохранению, самовоспроизводству и эволюции, обмену веществ, активной реакции на внешние раздражители и особым способам взаимодействия. Эти свойства считаются относимыми к живому начиная с уровня клетки, однако, вопрос о происхождении живого заставляет ученых рассматривать некоторые органические соединения в качестве также возможных носителей этих свойств.

В противовес представлению, что живое абсолютно, существует всегда и везде, например, в виде семян (гипотеза панспермии), с древности сформировались две противостоящих трактовки происхождения живого. Первая трактовка, восходящая к мифологическому мировоззрению, – органицизм, подразумевающий естественность и самопроизвольность зарождения живого. Так Аристотель считал, что живое возникает не только посредством воспроизводства, но и вследствие разложения почвы. Другая трактовка, восходящая к религиозному мировоззрению, – креационизм, в соответствии с которым возникновение живого – процесс искусственный, направляемый внешней разумной силой. Бог, в соответствии с текстами авраамических религий (иудаизм, христианство и ислам), сотворил растения в третий день творения, в пятый – рыб, пресмыкающихся и птиц, в шестой – животных и человека. Баланс традиций панспермии, органицизма и креационизма в истории естествознания сильно изменялся. Так в классической науке, казалось, было полностью опровергнуто положение о самозарождении живого (итальянский биолог Франческо Реди на основе экспериментов постулировал, что живое происходит только от живого (принцип Реди), а Луи Пастер, экспериментируя с микроорганизмами, пришел к выводу, что живое в той или иной среде возникает лишь если его семена в ней уже содержатся), но в современной науке эта теория не только возрождается в виде концепции биохимической эволюции, но и становится доминирующей.

Гипотеза биохимической эволюции в 1924 г. была высказана советским исследователем Александром Опариным, предполагавшим, что особые растворы высокомолекулярных соединений в «первичном бульоне» древнего океана Земли могли самопроизвольно трансформироваться в первые органические вещества, из которых впоследствии возникли белки и белковые тела. Аналогичную идею высказал в 1928 г. британский биолог Джон Холдейн, считавший, что живое (первые «большие молекулы») появилось из смеси воды, диоксида углерода и аммиака под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения и с возможным влиянием комет, привносивших в атмосферу Земли большое число органических веществ. Эти разработки, получившие название гипотезы Опарина-Холдейна, нашли косвенное подтверждение в 1953 г. экспериментах американских ученых Стэнли Миллера и Гарольда Юри. Воспроизведя предполагаемую первичную химическую смесь, приведшую к формированию живого (водяной пар, метан, аммиак, водород, оксид углерода), Миллер и Юри подвергли ее ряду воздействий, аналогичных возможным условиям планеты на ранних стадиях ее развития, – в частности, высокой температуре и электрическим разрядам. В результате эксперимента Миллера-Юри удалось синтезировать большинство аминокислот, входящих в состав живого (позже аналогичным образом в лабораторных условиях синтезированы другие аминокислоты и более сложные молекулы нуклеотидов). Более подробное объяснение механизму происхождения живого дал немецкий ученый Манфред Эйген, предположивший, что самовоспроизводящиеся макромолекулы объединялись в замкнутые автокаталитические цепи (гиперциклы), приобретя важнейшие характеристики живого (приспособляемость, наследственность, обмен веществ). На основе конкуренции этих гиперциклов «выживают» наиболее быстрые и эффективные системы, что выливается в их эволюцию к все более высокоэнергетическим молекулам, в том числе белковым, а впоследствии – к появлению первых клеток. Исследуя эволюционную структуру живых организмов, Карл Вёзе высказал предположение, что все живое возникло из рибонуклеиновых кислот (РНК) как носителей информации и одновременно катализаторов. Считается, что именно РНК в ходе случайных мутаций синтезировали как белки, так и дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Возможность синтеза самовоспроизводящейся РНК из неживого вещества была подтверждена в 1975 г. опытами Манфреда Сампера и Рудигера Льюиса.

Существуют также предположения, что живое было занесено на Землю из космоса, где оно и возникло. Наиболее распространенной является гипотеза занесения живого или его основ метеоритами и кометами. Г.Рихтер, Гельмгольц, Вернадский. Исследования … показали, что основы живого действительно могли сформироваться в хвостах комет, откуда они и появились на Земле. Следует отметить, что иногда теорию космического происхождения жизни смешивают с паранаучной гипотезой о занесении жизни на Землю инопланетянами, однако, последняя не только не подтверждена фактически, но и не отвечает на вопрос о возникновении живого в принципе.

Важнейшими органическими веществами, формирующими живое, выступают ДНК и РНК. ДНК была открыта Иоганном Мишером в 1869 г., в 1944 г. была выявлена ее функция носителя генетической информации, а детальное ее описание в 1953 г. предложили американский биолог Дж… Уотсон и английский физик Ф… Крик. ДНК – макромолекула, состоящая из повторяющихся нуклеотидов, чаще всего представляет линейную или циклическую правозакрученную двойную (двухцепочную) спираль (иногда встречаются иные формы организации ДНК, например, у вирусов – линейная одноцепочная последовательность). Именно в последовательности нуклеотидов содержится закодированная информация, задающая основные параметры живой системы (жизнедеятельность, рост, развитие) и обеспечивающая наследственность и изменчивость. Части этой последовательности копируется при синтезе РНК, другие выполняют регуляторные и структурные функции, в том числе определяющие репликацию ДНК (деление с наращиванием, в результате которых из одной молекулы возникают две), выступающую прототипом размножения живого. Нередко участки ДНК содержат «генетических паразитов» типа транспозонов или не используемую информацию (у человека – около половины последовательности). Неиспользуемая информация («некодирующая последовательность», или т.н. «мусорная ДНК») часто отражает историю вида (дезактивированные коды). Следует учитывать, что не при определенных условиях неиспользуемая информация может быть задействована, в том числе для приспособления организма к новым условиям существования.

Информационной единицей ДНК считается ген, представляющий собой участок ДНК, кодирующий одну молекулу белка или РНК. Для всякого вида свойственен особый набор генов – геном, для каждого организма – особое соотношение этих генов (генотип). Несмотря на то, что информация о видовых чертах превалирует, в ДНК открыты и особые участки, определяющие индивидуальность, причем с полной точностью, что позволило сделать ДНК-анализ важнейшим методом юридической экспертизы. Генетическому коду присуща триплетность, описываемая кодоном – словом, состоящим из трех букв (место которых занимают обозначения формирующих код нуклеотидов четырех типов). При этом в информационной последовательности имеют место нарушения, что приводит к мутациям организма (зачастую патогенным) и его наследственности. Выявление этих нарушений используется в современной медицине в частности для превентивной идентификации генетически обусловленных заболеваний. Несмотря на индивидуальные и видовые различия в целом генетический код един для всего живого, а потому предполагается, что все живое возникло из единого источника, от ЛУКИ.

Молекула РНК в отличие от ДНК чаще всего одноцепочная, более короткая и всилу своего специфического состава менее стабильная. Она синтезируется на основе ДНК, однако, может возникать из абиотических веществ, вследствие чего, как говорилось выше, РНК рассматривается как предшественница ДНК. РНК участвуют в синтезе белка и регуляции генов, выступая передатчиком информации, а также выступают и катализаторами ряда биохимических реакций.

Еще одним важнейшим основанием живого выступают белки (ранее вообще считалось, что именно белковая природа отличает живое от неживого). Белки – состоящие из аминокислот высокомолекулярные органические вещества, определяющие жизнедеятельность клеток и организмов. Белки полифункциональны: ряд белков (ферменты) катализируют процессы синтеза и расщепления сложных молекул живого (в том числе ДНК и РНК), белки регулируют биологические процессы, определяют движение и обмен веществ, защиту (в том числе иммунитет) и информационный обмен в органических системах. Наконец, белки задают цитоскелет клетки, являются основным материалом самой клетки и ряда межклеточных веществ.

==

Клетка – основная структурная и функциональная единица живых организмов помимо вирусов, если их рассматривать как неклеточную форму жизни. Клетка характеризуется самовоспроизведением, собственным обменом веществ и развитием. При этом в ряде случаев клетка способна к самостоятельному существованию – как отдельный (одноклеточный) организм, в других случаях она способна к специализации в составе многоклеточных организмов. Клетка была открыта английским естествоиспытателем Робертом Гуком при исследовании плавучести пробкового дерева в 1665 г. Впоследствии исследования показали, что все растения и животные состоят из клетки или клеток, было выявлено сложное строение клетки. Клетка является основным объектом изучения цитологии, или клеточной биологии.

Выделяются две разновидности клеток – безядерные (прокариоты) и содержащие ядро (эукариоты). Небольшие, простые и потому считающиеся более ранними (на земле возникли около 3,5 млрд. лет назад) прокариоты состоят из наружной клеточной мембраны, цитоплазмы, цепочки ДНК, жгутика и ряда других элементов. Важнейшим компонентом любой клетки является клеточная мембрана, двойной молекулярный слой, отделяющий содержимое клетки от внешней среды, обеспечивая ее целостность (защитная функция) и регулирующая обмен веществ со средой (транспортная функция). Избирательная проницаемость мембраны столь значительна, что ее нарушение приводит к гибели клетки. Цитоплазма – внутренняя среда клетки, представляющая собой водный раствор солей с белками и другими включениями. Именно за счет постоянного движения цитоплазмы осуществляются все процессы обмена веществ внутри клетки и связи между всеми ее компонентами. Основным носителем генетической информации прокариот является одна кольцевая или линейная цепочка ДНК. Как отдельные организмы прокариоты – одноклеточные, основными их видами являются бактерии и археи. Размножаются прокариоты бесполым способом, в том числе посредством однонаправленного переноса части генетической информации при контакте бактериальных клеток без увеличения числа клеток (конъюгация). Потомками прокариотов считаются как эукариоты в целом, так и отдельные их части (органеллы).

Эукариоты отличаются более сложным строением, в частности, наличием отделенных мембранами клеточного ядра и других органелл. Ядро клетки содержит несколько ДНК, организованных в хромосомы, в нем удваивается молекулы ДНК (репликация), синтезируется и видоизменяется молекулы РНК (транскрипция и модификация), а также создаются рибосомы. Важные специальные функции (выработка и сохранение определенных веществ или энергии) в эукариотической клетке также выполняют другие органеллы – митохондрии, пластиды, вакуоли и пр. Как отдельные организмы эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Эукариотами являются все организмы помимо бактерий и архей, а именно – простейшие, грибы, растения и животные.

Одноклеточными являются археи, большинство бактерий, простейшие и некоторые другие организмы. Археи – широко распространенные на Земле прокариоты, близкие бактериям, но отличающиеся от них на молекулярном уровне. Археи часто занимают недоступные другим организмам экологические ниши с экстремальными температурой, кислотностью и солевой концентрацией. Так, например, первые обнаруженные археи обитали в горячих источниках с температурой, зачастую превышавшей точку кипения воды. Сравнительно недавно (в конце ХХ в.) выделенные в отдельное царство археи считаются одной из древнейших форм живых организмов (ранее они назывались археобактериями).

Бактерии (эубактерии) – обширное и широко распространенное царство прокариотных микроорганизмов, чаще всего одноклеточных (помимо цианобактерий – сине-зеленых водорослей). Бактерии размножаются делением или почкованием, образуют популяции (культуры бактерий), а также в неблагоприятной среде – цисту (наращивая защитную оболочку, в которой сохраняются долгое время до прихода благоприятных условий). Часто подвижные и реагирующие на внешние раздражители разнообразные по формам бактерии играют важную роль в биосфере земли – лишь они ассимилируют азот из атмосферы, часто бактерии образуют симбиотические отношения с более сложными живыми организмами. Бактерии играют важную роль в обмене веществ животных и растений, в частности, в процессе пищеварения активно участвуют около килограмма бактерий, содержащихся в желудке обычного человека. Полезные свойства бактерий с древности используются человеком в пищевой промышленности (молочнокислые бактерии – для производства сыра, кефира, йогурта и пр., уксуснокислые бактерии – для уксуса и пр.), в сельском хозяйстве, в очистке загрязнений и пр. В то же время, бактерии имеют и негативное значение, в частности, поскольку они затрудняют хранение продуктов, выступают паразитами и обуславливают некоторые болезни. Эффективными методами борьбы с бактериями, вызывающими порчу продуктов, являются высушивание, маринование, охлаждение и пастеризация – выдерживание продукта при повышенной температуре в течении определенного периода времени.

Некоторые разновидности бактерий являются патогенами, вызывая тот или иной тип заболевания. Так ряд бактерий вызывают отравление организма животных, попадая в пищу. Другие бактерии способствуют возникновению инфекционных заболеваний. Организм животных обладает несколькими системами защиты против патогенов, в частности, иммунитет и поглощающие бактерий белые кровяные тельца. Иммунная система реагирует на проникновение патогенов выработкой инактивирующих их веществ (антител). Для борьбы с патогенами люди создали большое количество лекарственных веществ, как стимулирующих иммунную систему, так и подавляющих или разрушающих бактерии (антибиотики).

Простейшие (протисты) – группа эукариотов, выделяемая в отдельное промежуточное по отношению к животным и растениям царство организмов, в силу крайнего разнообразия характеризующееся лишь простотой структуры. Протисты, как и бактерии, образуют цисту, но размножаются в зависимости от условий существования не только бесполым, но и половым путем. Простейшие способствуют очистке вод, играют значительную роль в почвообразовании, формировании пород земной коры, но ряд из них выступают паразитами, вызывая заболевания растений и животных.

В составе многоклеточных организмов клетки делятся на половые (гаметы) и соматические. Половые клетки обеспечивают половое размножение, причем новый организм может развиться как из единичной гаметы (партеногенез), так и из двух. Преимуществом характерного для относительно более простых форм жизни партеногенеза является быстрота и определенная безусловность размножения. При слиянии двух гамет в зиготу, из которой развивается новый организм, в котором проявляются признаки обоих родительских, к которым принадлежали гаметы, преимуществом выступают изменчивость и приспособляемость вида. Это эволюционное преимущество полового процесса (оплодотворения) способствовало тому, чтобы именно она стала основой размножения у более сложных растений и животных.

В ходе развития организма из зиготы первоначальные неспециализированные (стволовые) клетки превращаются в один из типов специализированных клеток (дифференциация), тем давая начало разным тканям организма. Стволовая клетка способна к большому числу ассиметричных делений на подобную себе (самовоспроизведение) и приобретающую специализацию (дифференцирующуюся) клетки. В дальнейшем именно они обеспечивают восстановление поврежденных тканей органов и соответственных функций организма, и именно это свойство определяет актуальность их изучения в нуждах медицины. Особенно важным аспектом исследований при этом считается управление стволовыми клетками и перепрограммирование обычных клеток в стволовые, что задает основу преодоления этической проблемы использования клеток эмбриона для лечения взрослых организмов.

==

Важнейшей группой многоклеточных организмов являются растения, многоклеточные организмы, для которых характерны наличие плотной (непроницаемой для твердых частиц, чаще всего целлюлозной) клеточной оболочки, включение особых белковых образований в цитоплазме клетки (пластид) и фотосинтез – продуцирование органических веществ из воды и углекислого газа под влиянием света (прежде всего солнечного). В силу этого растения по преимуществу являются продуцентами и автотрофами, составляя первый ярус пищевой пирамиды, но среди них встречаются и гетеротрофы (растения-паразиты, хищные растения), которых можно рассматривать как промежуточное звено между флорой и фауной. Важными связанными с этими признаками растений также выступают неподвижность, постоянный рост и чередование полового (гаметофит) и бесполого (спорофит) поколений в жизненном цикле. Размножение растений осуществляется как половым, так и бесполым путем, причем наиболее распространенной формой последнего является вегетативное размножение (формирование новой особи из многоклеточной части родительского организма). Для развитых растений свойственно объединение относительно больших клеток в ткани, в которых практически полностью отсутствует межклеточное вещество и содержится большое число мертвых клеток, при этом некоторые ткани растения могут складываться из разных типов клеток.

Существуют также разнообразные формы организации тела растений: без выделения органов, с выделением листа и стебля (побега), с выделением корня и побегов. Лист представляет собой чаще всего пластинчатый наружный орган растения, осуществляющий фотосинтез, а также испарение, дыхание и пр. В качестве особого органа квалифицируется и зачаток побега – почка, для высших растений свойственно формирование особых органов размножения (в том числе семени и цветка).

Растения характеризуются многочисленными жизненными формами, основными из которых являются трава, кустарник и дерево. Жизненная форма характеризуется как изменяющаяся в течении жизни форма вегетативного тела растения, в котором оно на основе наследственности гармонически приспосабливается к окружающей среде. Травы (травянистые растения) – жизненная форма однолетних, двухлетних и многолетних растений размером от нескольких миллиметров до нескольких метров (относимые к травам банан и бамбуки – до нескольких десятков метров), характеризующихся отсутствием постоянного ствола над землей, и в большинстве случаев тем, что их листья и стебли отмирают после вегетативного периода. Часто характеризуются и другими чертами – сочностью, отсутствием одревеснивающих частей, неспособностью ко вторичному утолщению и т.д. Неприхотливость и быстрота роста трав задают то, что они часто первыми заселяют новые места обитания и потому определяют формирование новых экосистем, а также широту ареала обитания трав (приземный слой лесов, луга, пустыни и пр.). Кустарники – жизненная форма многолетних (10 – 20 лет) часто растущих на границе лесов растений размером от одного до шести метров, характеризующаяся наличием по крайней мере нескольких стволов без выделения главного во взрослом состоянии. Дерево – жизненная форма многолетних (от нескольких десятков до нескольких сотен или даже тысяч лет) растений чаще всего размером до нескольких десятков метров, характеризующаяся наличием единственного ствола, поддерживающим его корнем и формируемой ветками и листьями в верхней части ствола кроной. Интенсивно растущий, обычно относительно вертикальный покрытый корой ствол дерева осуществляет обмен веществ между корнями и кроной, для кроны выполняет опорную функцию, а также в зимний период сохраняет влагу и питательные вещества.

Растения делятся на низшие (растения-водоросли) и высшие. Растения-водоросли (следует отметить, что помимо них к водорослям относят также и прокариотов – сине-зеленые водоросли, представляющие собой разновидность бактерий) – разнородная группа наиболее простых (возникли в протерозое, возможно, от сине-зеленых водорослей) растений, обитающих, как правило, в водной или влажной среде (при быстром распространении они вызывают ее «цветение»), чаще всего не обладающих четкой дифференциацией тела на органы. Будучи основными продуцентами органических веществ в воде, водоросли как основы пищевых цепочек (в том числе планктона) задают водные биогеоценозы. Жизнедеятельность водорослей также способствует формированию ряда горных пород (диатомиты, ряд сланцев и известняков). Некоторые из водорослей вступают в симбиоз с грибами (формируя лишайники) и животными или становятся паразитами высших растений и животных.

В отличие от низших, у высших растений имеет место дифференциация тканей. Наиболее простая дифференциация (выделение зародыша, определяющего размножение спорами) имеет место у споровых растений – мохообразных и высших споровых растений. Мохообразные растения (бриофиты) – относительно мелкие (несколько сантиметров, в особых случаях – до нескольких метров) и примитивные (возникли в палеозое в результате выхода на сушу) широко распространенные растения с достаточно простым устройством (без корня, зачастую также без выделения листа и стебля), размножающиеся разносимыми ветром спорами, а также характеризующиеся разделением на половые поколения с преобладанием полового поколения (гаметофита, тут – многолетнего зеленого растения часто с листо- и корнеподобными выростами) над неполовым поколением (спорофитом, тут – состоящим из коробочки со спорами, ножки и стопы).

Высшие споровые растения – тип растений, сформировавшийся в девонский период палеозоя, характеризующийся достаточно сложным устройством (всегда выделены корень, ствол и листовидные образования; присутствует развитая проводящая (сосудистая) система, обеспечивающая быстрое передвижение воды вверх по растению), споровым размножением и преобладанием в жизненном цикле значительно увеличивающегося спорофита над гаметофитом (подземным в симбиозе с грибами или быстро созревающей надземной зеленой пластинкой). Листовидные образования формируются ветвями (папоротниковые), выростами внешних тканей стебля (плавуновидные) или редуцированными листьями (хвощевидные). Проявляющаяся у высших споровых растений тенденция образования мужских и женских спор фактически предстает началом перехода к семенным растениям.

Семенные растения (сперматофиты) образуют сложно структурированные семена, внутри которых содержится многоклеточный зародыш. Они разделяются на голосеменные (саговниковидные, гинговидные, хвойные, гнетовидные) и покрытосеменные (цветковые) растения. Возникшие (вероятно, от семенных папоротников) и ставшие доминирующими в начале мезозоя голосемянные растения характеризуются усиливающим генетический потенциал двойным набором хромосом (диплоидностью) и наличием семян, защищающих и питающих зародыш, а также часто имеющие приспособления для распространения животными. Эта особенность делает голосемянных более устойчивыми для неблагоприятных условий среды.

Возникшие в юрском и доминирующие с мелового периода мезозоя покрытосемянные (цветковые) – чрезвычайно распространенный и многочисленный класс растений, характеризующихся развитой проводящей системой, наличием цветка как генеративного (полового) органа и плода как замкнутого вместилища семязачатков. Наличие цветка обуславливает длительную коэволюцию покрытосемянных с животными (прежде всего с насекомыми). Эти особенности задают высокую эволюционную изменчивость и в результате широкое разнообразие цветковых растений. Цветковые делятся на двудольные и однодольные. Однодольные – относительно монолитная группа покрытосемянных, зародыши большинства которых имеют одну семядолю. Они обычно характеризуются мочковым корнем (причем первичный корешок часто заменяется придаточными корнями), редко ветвящимися стеблем с объемлющими его узкими листьями и специфически устроенными цветками (число частей цветка кратно трем). Преобладающей жизненной формой однодольных является трава, важнейшими для человека их представителями являются злаки, кормовые травы, пальмы и декоративные цветы. Двудольные – обширная группа цветковых растений, характеризующихся наличием двух (иногда более) семядолей зародыша, развитым главным корнем и четырех- или пятичастным цветком. Преобладающими жизненными формами двудольных являются куст и дерево, наиболее значительны для человека – плодово-ягодные, пищевые, кормовые, масленичные и волокнистые культуры.

Растения необходимы для существования животных и человека, поскольку они создают кислородную атмосферу и участвуют в формировании и сохранении почв, задают многие экологические системы, будучи основой цепей питания. При этом зачастую растения коэволюционируют с животными вплоть до разных форм симбиоза. Основной экономической жизни и цивилизации в целом можно считать использование растений, как источника пищи, для медицины, строительства и энергетики. Искусственный отбор растений вылился в целый класс одомашненных растений, используемых в пищу (хлебные, зернобобовые, сахароносные, плодовые, овощные и др. культуры), для выращивания скота (кормовые растения), легкой промышленности (волокнистые растения) и пр.

Ранее причислялись к растениям грибы, сегодня выделяющиеся в занимающее промежуточное положение между растениями и животными царство. Грибы – группа вероятно возникших в протерозое организмов по ряду признаков (строение клетки, всасывающий тип питания) близких растениям, но предстающих при этом гетеротрофами (как животные), а именно – редуцентами (разлагающие органические вещества, что обеспечивает плодородность почв), особыми признаками грибов также выступают клеточная многоядерность и внешнее пищеварение. Грибы часто образуют симбиоз с некоторыми растениями (лишайники) и животными (в качестве компонента системы пищеварения).

==

В качестве особого царства живых организмов выступают животные, многоклеточные эукариоты, характерными признаками которых считаются способность к активному движению и развитию, гетеротрофность (питание готовым органическим веществом), многотканевое строение и особенности размножения (оогамия, особое строение и развитие зародыша). Как гетеротрофы животные разделяются на травоядных, хищников, всеядных и паразитов. На клеточном уровне животным свойственно наличие актин-миозинового комплекса и хитина в клеточной оболочке и запасы гликогена. Эластичная оболочка животной клетки обеспечивает способность передвижения, функционально важного для питания. Область биологии, связанная с исследованием животных, – зоология.