Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
posobie_po_biologii.doc
Скачиваний:
29
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
762.88 Кб
Скачать

Занятие 1 Тема: Сущность живого

(лабораторное занятие)

Цель: рассмотреть современные концепции о возникновении и сущности живого на Земле, познакомиться с классификацией биологических наук и методами исследования живых систем.

Материалы и оборудование: плакаты, мультимедиа, видеофильм.

I. Теоретическая часть

По оценкам современных ученых, жизнь в виде первых прокариотических (бактериоподобных) организмов возникла 3,5-3,8 млрд лет назад (при возрасте Земли как планеты около 4,6 млрд лет). При этом биологической эволюции предшествовал длительный период эволюции химической, которую упрощенно можно представить в виде последовательности: простые органические соединения типа углеводородов, цианидов и пр. (часть которых наша планета приобрела еще в период своего формирования) – органические макромолекулы (предполагают, что в числе первых биополимеров были молекулы РНК, обладавшие автокаталитическими свойствами, так называемые рибозимы) – высокомолекулярные фазово-обособлен-ные системы, или коацерваты (по А.И. Опарину, 1924), имевшие некоторые признаки живых форм. В исследованиях, посвященных происхождению жизни, до сих пор остается не до конца разрешенным вопрос о переходе от предбиологических систем к простейшим живым, то есть к протоклеткам. Каким образом возникли универсальный генетический код и сложный аппарат матричного синтеза белка? Известный немецкий ученый М. Эйген (1973) – создатель гипотезы о гиперцикле – отмечал, что появление кода не может быть следствием случайного «счастливого» стечения обстоятельств (результатом перебора бесчисленного множества вариантов); это заставляет думать, что «…здесь «сработал» какой-то оптимизирующий принцип». В качестве такого оптимизатора еще на этапе биохимической эволюции мог выступать естественный отбор.

Сложность проблемы возникновения первичных живых форм связана с отсутствием объектов исследования, невозможностью их существования на Земле в настоящее время. Ученым доступны в основном ретроспективные подходы по воссозданию вероятной последовательности событий на основе анализа современных представителей живого, отличающихся сложностью организации (сравнительно-биохимический, сравнительно-морфологический, сравнительно-физиологический и сравнительно-онтогенетический методы). В решении вопроса также помогают исследования сохранившихся следов прошлого (палеонтологический метод), определенные возможности воспроизведения некоторых явлений, существовавших на еще безжизненной Земле (экспериментальный метод), а также технологии компьютерного моделирования разнообразных процессов и последние достижения в области молекулярной биологии.

Многообразие проявлений жизни создает трудности для однозначного определения ее сущности. Химическое единство живого проявляется в виде обязательного присутствия в составе любого биологического тела белков и нуклеиновых кислот. Названные биополимеры обычно рассматривают в качестве субстрата жизни. В этой связи следует отметить стереохимическую специфичность живой материи, проявляющуюся в асимметрии (стереоизомерии) органических соединений живых тел: так, аминокислоты, образующие белки (полипептиды), представлены L-изомерами, или α-аминокислотами, моносахариды в составе нуклеиновых кислот – исключительно D-изомерами (β-аномерами).

Традиционный подход к определению сущности жизни предполагает выявление ее наиболее важных (универсальных) свойств, к каковым относят: 1) обмен веществ (метаболизм), объединяющий две тесно взаимосвязанные стороны – ассимиляцию (пластический обмен) как совокупность реакций синтеза специфических органических соединений, характерных для живой клетки, и диссимиляцию (энергетический обмен) как процессы расщепления сложных соединений до более простых с выделением необходимой для жизнедеятельности энергии; 2) рост как способность к увеличению количественных характеристик (размера, массы) живых тел; 3) развитие (подразделяется на индивидуальное – онтогенез и историческое – филогенез), отражающее способность биологических форм к закономерным преобразованиям, включая качественные изменения; 4) размножение, или самовоспроизведение; 5) саморегуляцию как свойство поддержания относительного постоянства структурно-функциональных характеристик живых систем; 6) изменчивость, проявляющуюся в разнообразии живых форм, в способности их приобретать новые признаки; 7) наследственность, обеспечивающую материально-функциональную преемственность между поколениями; 8) раздражимость – свойство живых систем целесообразно реагировать на внешние или внутренние воздействия (раздражители); 9) дискретность – делимость, дифференцированность любых биологических объектов на относительно обособленные части; 10) последние, в свою очередь, закономерно взаимосвязаны, взаимодействуют между собой, демонстрируя качество, альтернативное дискретностиинтегрированность (целостность). Заметим, что многие из перечисленных выше свойств по отдельности обнаруживаются и в неживой природе. В соответствии с этим специфику живого обычно пытаются подчеркнуть как проявление всей совокупности названных качеств.

В самом общем смысле жизнь определяют как процесс активного, идущего с затратой полученной извне энергии поддержания и самовоспроизведения специфической структуры (концепция Тролланда – Мюллера). Морфофункциональная уникальность биологических объектов обеспечивается генетической информацией, способной к редупликации (удвоению) и преобразованию в фенотипические признаки на основе генетического кода и реакций матричного синтеза. С другой стороны, существующая вероятность ошибок копирования (иными словами – мутаций) создает разнообразие (разнокачественность) форм жизни. С последним обстоятельством, в частности, связана способность живых систем эволюционировать (закономерно изменяться в ходе смены поколений).

Сущность живого и главные тенденции исторического развития жизни на Земле многие современные ученые пытаются объяснить с позиций неравновесной термодинамики и общей теории систем. В связи с этим можно упомянуть теорию «самоорганизации диссипативных структур» И. Пригожина (1960), концепцию «саморазвития элементарных открытых каталитических систем» А.П. Руденко (1969) и другие. Названные авторы рассматривают способность органических макромолекул к созданию упорядоченных систем как неотъемлемое свойство материи.

Биологические системы закономерно обмениваются с внешним миром энергией, веществом и информацией, то есть являются открытыми. Наличие обратных (положительных и отрицательных) связей со средой является необходимым условием их надежного функционирования как в относительно стабильных условиях, так и в случае изменения последних.

Еще раз подчеркнем, что живым системам присуща высокая степень организованности, которую В.П. Щербаков (2005) характеризует как «сложность, наделенную функцией». Извлеченные живыми системами извне вещество, энергия и информация расходуются на активное поддержание их организованности (структурно-функциональной упорядоченности).

Австрийский физик Э. Шредингер определяет жизнь как работу специфическим образом организованной системы по понижению собственной энтропии (энтропия рассматривается в качестве меры неупорядоченности, хаоса) за счет повышения энтропии окружающей среды. Таким образом, живые системы стационарно не равновесны по отношению к внешнему миру.

Используя более привычные для биологии термины, сказанное выше можно свести к следующему: все биологические системы в ходе обмена (круговорота) веществ за счет использования внешней энергии (главным источником которой на Земле является излучение Солнца) поддерживают гомеостаз – состояние динамического равновесия состава и свойств. Заметим, что эффективность гомеостатических механизмов тесно связана со сложностью (уровнем организации) биологических систем. Выделяют следующие основные уровни организации живого: молекулярный (генетический), клеточный, тканевый, органный (тканево-органный), организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический, биосферный.

Гомеостаз отдельной клетки (в составе многоклеточного организма) или индивида ограничен. Популяционно-видовой гомеостаз более совершенен: потенциально он может поддерживаться неограниченно долго (при отсутствии резких изменений внешней среды). Объясняется это тем, что во втором случае мы наблюдаем иной механизм авторегуляции, нежели на уровне многоклеточного организма, где основу гомеостаза составляют обновление клеток и регуляция функций. Надорганизменные системы сохраняют устойчивость в ходе смены поколений (за счет воспроизводства особей). Наибольшей способностью к самоподдержанию обладает глобальная живая система биосфера, объединяющая все существующие виды живых организмов и среду их обитания. В основе ее «надежности» лежат круговороты химических составляющих биологических тел (биогеохимические циклы). Заметим, что некоторые ученые, в их числе – академик И.И.Шмальгаузен и английский биолог Дж. Бернал, считают, что жизнь на нашей планете появилась не в виде отдельной живой клетки, а как биологический круговорот.

В заключение следует еще раз напомнить, что при размножении – одном из важнейших свойств живого наследуются вовсе не признаки и свойства организмов и даже не тип онтогенеза, а только генетическая информация (генотип), записанная в виде последовательности нуклеотидов ДНК и представляющая своего рода программу индивидуального развития. Существование «генетической памяти», лежащей в основе самовоспроизведения, и способность живых систем поддерживать свою организованность в ходе активного взаимодействия с окружающей средой можно считать их главными отличиями от неживой природы.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]