Лекция 15

Структурные уровни организации живого. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации живой материи

Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

15.1 Молекулярно-генетический уровень

15.1.1 Атомно-молекулярный уровень

Условно все химические элементы, из которых состоит живая материя, можно разделить на три группы.

Биогенные элементы или органогены: к ним относятся водород, углерод, азот и кислород. Из органогенов преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Для их обозначения иногда используют акроним CHNO, состоящий из обозначений соответствующих химических элементов в таблице Менделеева. Именно на эти элементы приходится, например, около 98% массы человеческого тела.

Макроэлементы: к ним относят те элементы, которые имеют существенное значение для жизни и рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг: фосфор, сера, кальций, хлор, калий, натрий и магний. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке):

• Бром

• Железо

• Йод

• Кобальт

• Марганец

• Медь

• Молибден

• Селен

• Фтор

• Хром

• Цинк

Микроэлементы составляют менее 0,001% массы живых организмов. Чем меньше концентрация соединений в организме, тем труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний и др. Ос­тальные элементы либо вообще не встречаются в живых ор­ганизмах (например, благородные газы), либо присутству­ют в виде незначительных примесей.

Центральное место в построении живых систем зани­мает углерод (С), количество которого в земной коре состав­ляет всего около 0,1% по массе. Наиболее примечательным свойством атомов углерода является их способность обра­зовывать прочные, ковалентные связи друг с другом путем обобществления одного или нескольких валентных элек­тронов. Таких электронов у каждого атома углерода четы­ре. Три из них обычно используются для построения про­странственного каркаса (скелета) молекулы, а еще один электрон может образовывать связь этой молекулы с ка­кой-либо функциональной группой, играющей роль моду­лятора химических свойств. В результате именно углерод способен формировать длинные прочные цепи, в том числе замкнутые, с бесконечно разнообразной структурой.

Около 80% всей массы живых клеток приходится на долю молекул одного типа, а именно молекул воды (Н₂О). Однако биохимическая роль этих молекул определяется не столько их количеством, сколько способностью слу­жить растворителем в химических реакциях. Можно ска­зать, что жизнь на Земле «сконструирована» применитель­но к такому растворителю, как вода.

Уникальные свойства жидкой воды как растворителя обусловлены тем, что каждая ее молекула представляет собой электрический диполь, в котором положительные и отрицательные заряды разнесены в пространстве друг относительно друга. Вследствие этого молекулы воды, во-первых, притягиваются друг к другу («слипаются»), об­разуя жидкую фазу в аномально широком температурном диапазоне (0-100°С), а во-вторых, способны «разрывать» другие молекулы на ионы, причем делают это чрезвычай­но эффективно.

Итак, конструкция живых систем в очень большой сте­пени определяется теми свойствами, которые присущи, во-первых, атому углерода и, во-вторых, молекуле воды. Можно сказать, что появление жизни и вся ее последую­щая эволюция обязаны именно этому атому и этой моле­куле. Однако, было бы неправильным связывать с ними специфику жизни. «Кирпичиками» живой материи явля­ются не эти химические объекты, а значительно более сложные системы — биополимеры.