Отличительные свойства живой материи. Биология как наука о живом. Концептуальные уровни биологии
Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические молекулы, - предел химической эволюции вещества. Следующий принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным – живая материя. Живая природа (коротко - жизнь) является предметом изучения биологии. Живая природа отличается от других форм организации материи по ряду признаков:
Любой живой организм, начиная с бактерии, состоит из большого числа атомов – макроскопичность. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.
Организм содержит одновременно объект совокупность множества взаимодействующих элементов, обеспечивающие разнообразные биохимические процессы – гетерогенность;
Все живые организмы имеют сходный химический состав (97% состава определяются шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор);
Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет биологический вид. С другой стороны, конечность жизни живых систем создает условия для их эволюции (сменяемости и совершенствования);
Свойство всего живого – раздражимость, которая проявляется в виде реакции на воздействие извне;
Живая система обладает дискретностью, т.е. состоит из отдельных элементов, взаимодействующих между собой. Система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов. В то же время живой системе присуще свойство целостности – все ее элементы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом.
Согласно определению живого, данному академиком М.В.Волькенштейном
жизнь есть свойство существования макроскопических гетерогенных открытых сильно неравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.
Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, о формах и развитии живого, распространенности живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природы.
Три концептуальных уровня биологического знания:
Описательно-натуралистическая (традиционная) биология имеет долгую историю. Ее метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главная задача – их классификация (биологическая систематика).
Физико-химическая биология (экспериментальная) исследует молекулярный уровень живого с использованием методов рентгено-структурного анализа, электронной спектроскопии и др. Имеет большое прикладное значение как основы многих новейших направлений медицины.
Эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая изучение механизмов эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.
Концепция структурных уровней живой материи
Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации. Концепция структурных уровней живого включает представления о соподчиненности структурных уровней, системности и органической целостности живых организмов.
Молекулярно-генетический уровень – на нем совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого. Биохимической основой этого уровня являются белки.
Белки- органические соединения входящие в состав всех живых организмов. Белки являются биополимерными макромолекулами, т.к. состоят из большого числа повторяющихся и сходных по составу низкомолекулярных соединений (мономеров). В состав белка входит 20 аминокислот (мономеров), различные сочетания и перестановки которых обеспечивают множество вариантов.
Характерным свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что они способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча. Это означает, что свойством живой материи является ее молекулярная асимметрия (молекулярная хиральность).
Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Дальнейшие исследования позволили выявить то специфическое, что на молекулярном уровне отличает живое от неживого. Наиболее важным было выделение из ядра клетки веществ, обладающих свойствами кислот, и названными нуклеиновыми кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемой сокращение РНК (рибонуклеиновая кислота), с другой – ДНК (дизоксирибонуклеиновая кислота). Способность клеток поддерживать высокую организацию зависит от т.н. генетической информации, которая сохраняется в ДНК. ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. ДНК состоит из двух мономерных цепей, закрученных одна вокруг другой. Генетическая информация записана в цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех нуклеотидных оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Информационное содержание обеих цепей ДНК идентично, т.к. каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности другой цепи (цепи комплиментарны). Это соответствие достигается благодаря наличию водородных связей между направленными навстречу друг другу основаниями двух цепей – G и С или А и Т. Удвоение (репликация) ДНК происходит вследствие того, что цепи расходятся, а потом каждая цепь служит основой, на которой собирается комплиментарная ей новая цепь ДНК. В результате образуются две дочерние двуспиральные, не отличимые по строению от родительской ДНК молекулы.
ДНК, находящиеся в клетке, составляют основу хромосомы. В хромосомах находятся гены – участки молекулы ДНК, содержащие информацию об одном из набора белков организма.
Клеточный уровень. Любой организм состоит из клеток (в простейшем случае – из одной клетки). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и служит первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра (прокариоты), которые исторически являются предшественниками клеток, имеющих ядра (эукариотов). К миру живого относятся также вирусы – мельчайшие неклеточные организмы, размером от 20 до 300 нм (примерно в 50 раз мельче бактерий), которые находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.
Клетки существуют как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются клетки, различные по строению и функциям. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 мкм до 155 мм (яйцо страуса). Живой организм может содержать миллиарды разнообразных клеток.
В каждой клетке различают две основных части: ядро и цитоплазму. Структурными элементами ядра клетки являются хромосомы, содержащие молекулы ДНК. В хромосомах в линейном порядке расположены гены. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.
Тканевый уровень. Совокупность однотипных клеток образуют живую ткань, из которой состоят различные органы живых существ.
Организменный (онтогенетичнеский) уровень. Система совместно функционирующих органов образуют организм. На этом уровне проявляется большое разнообразие живых систем.
Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция – это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов), занимающих определенную территорию. Вид состоит обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.
Биоценотический уровень образован биоценозами – исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанными друг с другом и с окружающей средой обменом веществ.
Биосферный уровень представляет собой совокупность биоценозов, которая образует биосферу Земли.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения различных разделов биологии: молекулярный уровень изучается молекулярной биологией и генетикой, клеточный уровень –цитологией, микробиологией, анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях, зоология и ботаника – на организменном и популяционно-видовом уровнях, экология рассматривает биоценотический и биосферный уровни.
Человек формирует еще один структурный уровень материального мира – социум.
Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.
Элементарная единица - это структура, закономерное изменение которой, приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно - генетическом уровне является ген, на клеточном уровне - клетка. На организменном уровне - особь, на популяционном уровне - совокупность особей одного вида - популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.
Важным является то, что переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно в соответствии с основными принципами квантовой механики, и такие переходы в физическом представлении есть неравновесные фазовые переходы, которым в синергетике соответствуют бифуркации. Кстати, и гибель живого организма можно рассматривать как фазовый переход «жизнь - не жизнь».
С гармонией развития организма как целого, так и его частей, хорошо согласуется известный нам универсальный для всего современного естествознания принцип дополнительности Бора. Согласно этому принципу, можно высказать и парадоксальную мысль: познание жизни и сама жизнь несовместимы!
Относительно живого организма как целостной системы Энгельгардт В.А. выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями.
возникновение в системе взаимодействующих связей между целым и частями.
утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого.
появление у возникающего целого новых свойств, определяемых как свойствами основных частей, так и возникновением новых связей между частями.
Представления о целом и части, используемые не только в системном анализе, но и в философии, полезны в применении их в физике живого, поскольку живым организмам присущи гармоническая иерархичность и целевая функция. Действительно, рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно сталкиваемся с проблемой целого и части – все наблюдаемые объекты являются частями более общего понятия целого и, в свою очередь, состоят из каких-то частей. Эти представления применимы к эволюции любой сложной неравновесной системы с нелинейной динамикой ее развития в процессах самоорганизации.
Сейчас уже является общепринятым положением, что живые организмы являются открытыми неравновесными системами и, естественно, поэтому хочется применить те же физические законы, которые используются для объяснения и даже управления физико-химическими процессами в объектах неживой природы.
Термодинамика и энергетика живых существ.
Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Ее элементы постоянно разрушаются и образуются вновь. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для его обеспечения необходим постоянный приток вещества и энергии извне, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые живые организмы являются открытыми неравновесными термодинамическими системами. Если условия существования системы неизменны, т.е. потоки вещества и энергии остаются постоянными, то неравновесное состояние является стационарным. Для живых систем это означает следующее:
В течение времени жизни системы ее элементы подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;
Для компенсации неупорядоченности, возникающей в результате распада, в системе совершается работа по синтезу новых элементов взамен распавшихся; эта работа приводит к уменьшению энтропии (негоэнтропии) в живой системе, но одновременно повышает энтропию в окружающей среде.
Таким образом, для возникновения и существования живого организма необходимы источники, снабжающие его веществом и энергией, обладающие высокой негоэнтропией. Этими источниками являются органические вещества с запасенной в них химической энергией.
Круговорот веществ. Пищевые цепочки.
Часть организмов синтезируют органические вещества из неорганических веществ (например, углекислого газа и воды) под действием солнечного света (фотосинтез) или в процессе окисления (хемосинтез, характерный для некоторых бактерий). Такие организмы называются автотрофами. Большинство автотрофов – зеленые растения, осуществляющих фотосинтез. При фотосинтезе энергия ЭМ излучения аккумулируется в виде энергий химических связей органических соединений.
СО2 +Н2О (+hν) углеводород + О2
Другая часть организмов (например, все животные и человек) называются гетеротрофами и потребляют энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами. Извлечение энергии из питательных веществ происходит при их расщеплении (катаболизме). Освободившаяся энергия расходуется на синтез необходимых веществ (анаболизм) при использовании кислорода (дыхании)
углеводород + О2 СО2 +Н2О + энергия
Регулирование притока кислорода при дыхании позволяет регулировать процесс выделения энергии и запасать ее часть для использования в определенной ситуации в нужном месте организма. Хранение энергии производится в виде химических связей промежуточных соединений аденозинтрифосфатов (АТФ) и затрачивается по мере необходимости на процессы синтеза в клатках, перенос веществ в организме, механическое движение, выделение тепла и др.
Между автотрофами и гетеротрофами существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки:
энергия солнечного ЭМ излучения растения, осуществляющие фотосинтез травоядные хищники … микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганическое вещество. Впоследствии молекулы этих веществ могут участвовать в образовании живых существ. Таким образом, в биосфере сформирован глобальный круговорот веществ, который обусловлен т.н. геохимическими циклами.
Сохранение энергии и изменение энтропии.
Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (негэнтропией), чем выделяемые продукты обмена, т.е. гетеротрофы переносят упорядоченность из внешней среды в самих себя. Для автотрофом эта же цель достигается за счет выполнения работы и высокой негэнтропии поглощаемого ЭМ излучения Солнца.
Таким образом, назначение обмена веществ живой системы с внешней средой (метаболизма) состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе. Он состоит в отборе извне химических веществ и энергии для синтеза необходимых организму веществ, а также вывод из живой системы всего, что не может быть использовано.
С точки зрения глобального энергетического баланса источником энергетического потока, проходящего через все пищевые цепочки, служит солнечное ЭМ излучение, а финалом - выделение тепла при переработке бактериями органических останков. Высвободившаяся в биосфере энергия возвращается в мировое пространство главным образом в виде ЭМ волн инфракрасного диапазона (теплового). Принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового ЭМ солнечного излучения меньше, чем излучаемого землей инфракрасного излучения. За счет этой отрицательной разности энтропий поддерживается упорядоченность в биосфере Земли.
Объекты живой природы являются открытыми системами. Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т.е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Для сохранения стационарного неустойчивого состояния живой организм непрерывно потребляет энергию извне. Такая ситуация полностью аналогична поведению диссипативной структуры.
В 1935 г. Э. Бауэр предложил механизм биологической эволюции, основанной на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е. по существу до появления синергетики он рассматривал живой организм как открытую неравновесную систему. Неравновесное состояние живой материи и ее сохраняющаяся работоспособность обеспечиваются ее молекулярной структурой, причем эта работоспособность обусловлена свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре. Бауэр ввел для живого организма понятие устойчивого термодинамического неравновесия, которое проявляется при наличии трех условий:
само наличие свободной энергии, проявляющееся без всякого внешнего воздействия, т.е. свойства спонтанной деятельности организма.
реакция на внешние воздействия, выравнивающая градиент энергии и восстанавливающая его первоначальное значение (в биологическом понимании это свойства раздражимости и возбудимости).
накопление свободной энергии путем работы против факторов, ведущих к равновесию, что в биологии означает свойства целесообразного поведения и приспособительной деятельности.
А что означает с точки зрения физики целесообразное поведение системы? Ответ на этот вопрос, как и на многие другие вопросы современного естествознания, пока не является однозначным. С одной стороны, это выполнение этой системой основных физических законов и, прежде всего, законов сохранения, поддержание состояния устойчивости и стабильности системы. Для человека с общебиологической точки зрения - это устойчивое стабильное состояние существование его как вида, т.е. сохранение человеческой жизни на Земле.
Энтропия, связанная с равномерным распределением вероятности состояний, максимальна в хаосе, и, следовательно, хаос не предполагает развития системы, т.е. ее эволюции (не забываем, правда, из синергетики следует, что в диссипативных системах из хаоса может возникнуть порядок). А как отмечал Ф. Ауэрбах, принцип изменения - это принцип поведения энтропии: «Принцип сохранения энергии имеет то единственное значение, что ничто не может совершаться вопреки его требованиям, но это не значит, что что-нибудь действительно истекает из него, по его инициативе. Он является надсмотрщиком, но не предпринимателем. Он имеет распределительный, но не производственный характер». Из первого закона термодинамики следует, что развитие, эволюция подчиняется закону сохранения и превращения энергии в том смысле, что энергия переходит в процессах жизнедеятельности из одной формы в другую. С другой стороны, изменение энтропии по Ауэрбаху приводит к развитию, т.е. в конечном счете к возникновению жизни. С точки зрения физики, жизнь - это есть борьба живого с энтропией. Конечно, надо осторожно относиться к прямому применению понятий термодинамики к развитию живой природы. Тем не менее - это разумный и следующий шаг по отношению к описательному биологическому пониманию эволюции.
Без развития система перестает существовать. Развитие сложных систем, происходит через неустойчивости, которые могут быть и стационарными, устойчивыми («устойчивое неравновесие» по Бауэру). Налицо философский постулат единства и борьбы противоположностей. В этом смысле устойчивость живой системы и состоит в ее развитии, но это развитие определяется возникающими неустойчивостями. Заметим, что вдали от равновесия вещество становится более активным.
Биологическая эволюция.
Сущность процесса биологической эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды и в появлении все более сложных организмов. Биологическая эволюция направлена от простых организмов к сложным.
Из множества явлений живой природы Дарвин сумел выделить три принципиальных фактора эволюционного развития живого: изменчивость - неотъемлемое свойство живых организмов, в природе нет двух тождественных организмов;
Наследственность - некоторые изменения наследуются потомством;
Естественный отбор – отбор признаков, способных приспособлению вида к изменяющимся условиям существования.
Естественный отбор считается основным фактором эволюции. Обычно рождается значительно больше организмов, чем доживает до размножения. Выживают и дают большое потомство те особи, которые обладают более благоприятными для борьбы за существование сочетанием унаследованных индивидуальных качеств.
Биологические законы эволюции Дарвина также могут быть наполнены физическим смыслом. Изменчивость (физически - стохастичность) создает поле возможностей, путей развития той или иной системы, наследственность ограничивает это поле, а отбор реализующейся формы развития определяется некоторыми правилами или принципами. Принципы отбора - это те законы (физики, биологии, общественного развития), которые из допустимых движений развития с некоторой вероятностью отбирают при самоорганизации системы те, которые мы наблюдаем в реальности.
В классической динамике реальные движения отбираются из множества виртуальных с помощью известных нам законов Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора для механики Ньютона - Галилея. К этим же правилам отбора относятся и те следствия человеческого опыта и поведения, на которые человек неосознанно опирается в своей практической деятельности, принимая то или иное решение.
Классическое эволюционное учение было дополнено и обосновано с молекулярно-генетической точки зрения, результатом явилась современная синтетическая теория эволюции. В молекулярной биологии изменчивость проявляется на генетическом уровне в виде т.н. мутаций. Мутации происходят случайным образом под воздействием внутренних и внешних факторов. Мутационный процесс обуславливает разнообразие особей в популяции. Направление эволюции определяется естественным отбором.
В СТЭ элементарной единицей эволюции является популяция. На популяционно-видовом уровне происходит микроэволюция. Микроэволюционные изменения доступны наблюдению. Макроэволюция происходит на надвидовом уровне и отражает самые общие закономерности развития живого. Наблюдать макроэволюционные изменения гораздо сложнее, однако успехи молекулярной биологии позволяют непосредственно изучать результаты макроэволюции путем исследований макромолекул, изъятых из ныне живущих и ископаемых форм.
Важными факторами микроэволюции являются:
Популяционные волны, представляющие собой колебания численности популяций под воздействием множества меняющихся условий (изменения климата, урожайности кормов и др.);
Изоляция усиливает генетические различия изолированных популяций; единый генофонд разрывается на несколько изолированных, что может привести к образованию новых видов.
Образование новых видов происходит двумя путями:
Разделение исходного вида на два и более новых;
Гибридизация, т.е. объединение двух разных наборов генов и образование их гибрида
К закономерностям макроэволюции относятся:
Прогрессивная направленность эволюции в целом выражается в появлении организмов со все более высоким уровнем организации и большей приспосабливаемостью к изменению условий существования. В ходе эволюции образовались организмы разного уровня сложности – от простейших одноклеточных до млекопитающих. Высший уровень сложности связан с появлением человека. Все эти уровни представлены в живом мире и продолжают эволюционировать.
Неравномерность темпов эволюции, определяющаяся сложным сочетанием внутренних факторов и изменяющимися условиями окружающей среды.
Принцип необратимости эволюции. Ископаемые и ныне существующие формы необязательно составляют единую последовательность. Многие виды в процессе эволюции исчезают (т.н. тупиковые ветви эволюции). Исчезнувшие в процессе эволюции виды никогда впоследствии не восстанавливаются в прежней форме. Поэтому важно максимальное сохранение существующих на Земле видов. Их утрата приводит к невосполнимым потерям генофонда, возникшего в ходе длительного эволюционного процесса. Необратимые процессы эволюции живого задают биологическую стрелу времени.
Биологическая эволюция.
Концепция происхождения жизни.
Проблема происхождения жизни является одной из важнейших в естествознании и имеет большое мировоззренческое значение. Исторически сформировалось несколько концепций возникновения жизни:
Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого – креационизм – основана на вере и не относится к области науки, ничего не дает в познавательном плане;
Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества возникла в древности, ее придерживался еще Аристотель. В 17 веке биолог Ф.Реди сформулировал т.н.принцип Реди: живое возникает только из неживого. В 19 веке Луи Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни, показав, что якобы наблюдаемый эффект появления жизни там, где она отсутствовала, связан с жизнедеятельностью бактерий. Он разработал методику избавления от бактерий, которая получила название пастеризации.
Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовала всегда, причем в неизменном состоянии. Эта концепция противоречит данным, накопленным различными науками (палеонтологией, эмбриологией, селекцией и др.).
Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Эта концепция подтверждается обнаружением органических веществ в метеоритном и кометном веществе, она разделяется многими учеными, интерес к ней периодически возрастает.
Концепция биохимической эволюции является общепринятой в естествознании в настоящее время. Она предполагает, что жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биохимических процессов.
Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф.Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам А.И.Опарина в России и Дж.Холдейна в Англии в 1920-х годах.
Земля, образовавшаяся из протопланетного облака 4.5 млрд лет назад, имела температуру в несколько тысяч градусов. По мере остывания сформировалась земная кора и атмосфера, состоящая, в основном, из тяжелых газов (аммиак, двуокись углерода, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым, т.к. формирование предбиологических соединений лучше происходит в восстановительной среде, чем в окислительной. С изменением температуры и давления конденсация воды привела к возникновению океанов. Осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, датируются временем 3.8 млрд лет назад. Опарин полагал, что сложные органические вещества могли синтезироваться из более простых при активационном воздействии мощного солнечного коротковолнового излучения, существовавшего в то время из-за отсутствия защитного слоя, характерного для современной атмосферы. Разнообразия находящихся в древнем океане простых соединений, громадная площадь поверхности, высокие температуры и интенсивности активирующего излучения, а также длительность процессов химической эволюции позволяют предположить, что в приповерхностном слое водной среды синтезировались и накопились органические вещества. Они стали тем «первичным питательным бульоном», в котором могли сформироваться предбиологические структуры – белки и нуклеиновые кислоты. Предположительно они образовались в первый миллиард лет существование Земли, не оставивший следов в ее палеонтологической летописи. Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3.2-3.5 млрд лет. Это минерализованные микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли. Это не относительно сложные и не самые древние формы простейших организмов. Таким образом, остается открытым вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в «темный» миллиард лет земной истории.
Существует два основных подхода к решению этого вопроса:
Идея голобиоза, которой придерживался и Опарин, опирается на экспериментально установленную возможность образования коллоидных гелей (студнеобразных смесей) при смешивании белков (коацервация). Согласно гипотезе Опарина, образование поверхностно обособленных гелевых структур непосредственно предшествовало началу биогенеза.
Идея генобиоза утверждает первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. В рамках этого подхода возник вопрос о первичности одного из двух типов информационных молекул РНК и ДНК и установлена первичность РНК.
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основных жизненных систем:
Система обмена веществ (метаболизм);
Система воспроизводства живой клетки.
Переход «аминокислоты – живая клетка» до сих пор остается необъяснимым, а разработка целостной модели – комплексной научной задачей. Первоначально допускалась возможность случайной «сборки» молекулы, способной нести и передавать генетическую информацию, в результате многократных актов взаимодействия простых органических веществ. Однако оценки показали, что вероятность подобного события имеет порядок 1/102000 и не может реализоваться за время, отведенное геологической историей. Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях самоорганизации в открытых сильнонеравновесных системах.
Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, т.е. в ходе биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа:
Синтез исходных органических соединений их неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состоянии поверхности ранней Земли;
Синтез биополимеров из накопившихся органических соединений;
Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение и совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.
Не все пока ясно относительно первых двух этапов, а в отношении третьего этапа некоторый прогресс в понимании наметился лишь в последние годы. Пока не удается прояснить конкретные механизмы перехода от неживого к живому. Но можно надеяться, что это произойдет по мере разработки уже выдвинутых гипотез или появления новых идей. Концепция биохимической эволюции совместно с представлениями о возможности и закономерностях самоорганизации в открытых неравновесных системах указывает принципиальный путь решения проблемы происхождения жизни.
Лекция 15.
Молекулярно генетический и клеточный уровень живой материи.
Строение клетки.
Клетка находится в межклеточном веществе, обеспечивающем их механическую прочность, питание и дыхание. Основные части клетки:
Мембрана
Цитоплазма
Ядро.
Клетка покрыта мембраной, ограждающей и защищающей внутреннее содержимое клетки. У клеточной мембраны есть поры, обеспечивающие ее избирательную проницаемость.
Цитоплазма – полужидкая слизистая бесцветная масса, содержащая 75-80% воды, 10-12% белков и аминокислот, 4-6% углеводов, 2-3% жиров и липидов, 1% неорганических веществ. В цитоплазме расположены мельчайшие структуры – органоиды. Органоиды обеспечивают жизнедеятельность клетки.
Эндоплазматическая сеть участвует в синтезе органических веществ, накапливает и транспортирует их, регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Гранулы, содержащиеся в ЭПС, представляют собой рибосомы.
Рибосомы состоят из РНК и белка, осуществляют уникальную функцию синтеза белковых молекул из аминокислот.
Комплекс Гольджи участвует в транспорте продуктов биосинтеза, Доставляет белки, выработанные в рибосомах, к другим органоидам, а также к поверхности клетки для их выведения.
Лизосомы содержат набор ферментов, разрушающих белки, углеводы, липиды. К пищевой частице, поступившей в цитоплазму, подходят лизосомы, образуется пищеварительная вакуоль. Вещества, образовавшиеся в результате пищеварения, поступают в цитоплазму и используются клеткой.
В митохондриях происходит извлечение энергии, заключенной в питательных веществах, а также синтез АТФ(аденозинтрифосфорной кислоты).
Клеточный центр состоит из двух палочковидных телец – центриолей, участвует в процессе деления клетки, в образовании веретена деления.
Клеточные включения содержат углеводы, жиры и белки, периодически синтезируются в клетке, накапливаются в виде капель и зерен, используются в процессе обмена веществ.
Ядро - самый большой органоид, открыто в 1831 г. шотландским ученым Робертом Брауном. Ядро играет главную роль в передаче наследственности. Форма и размеры ядра зависят от формы и размера клетки. Большинство клеток содержат одно ядро (существуют клетки безъядерные и многоядерные). Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок. В ядре всегда присутствуют одно или несколько ядрышек, в которых образуются рибосомы. Важнейшей составляющей ядра является хроматин. В ядре расположены нитевидные образования – хромосомы. В ядре клетки тела человека (кроме половых) содержится по 46 хромосом. В соматических клетках все хромосомы представлены парами (диплоидный набор). В половых клетках каждая из хромосом находится в одинарном числе (гаплоидный набор). Хромосомы являются носителями наследственной информации, передающейся от родителей потомству.
Функции клетки
1. Обмен веществ
Обмен веществ выполняет две основные функции - обеспечение клетки строительным материалом и обеспечение клетки энергией. Из веществ, поступающих в клетку, -аминокислот, глюкозы, органических кислот, нуклеотидов, - в клетке непрерывно происходит биосинтез белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Из продуктов биосинтеза формируется тело клетки, ее мембрана, органоиды. Реакции биосинтеза особенно активно идут в молодых клетках, но постоянно происходят и в клетках, закончивших рост и развитие, т.к. состав клетки в течение ее жизни постоянно обновляется.
Любое проявление жизнедеятельности (биосинтез, движение, выделение тепла) нуждаются в затрате энергии. В клетке энергия выделяется за счет энергии химических реакций, выделяющейся при расщеплении поступающих в клетку веществ. Из межклеточного вещества клетки постоянно поглощают глюкозу, аминокислоты, кислород, минеральные соли, а выводят углекислый газ, воду, мочевину и т.д.
Пластический и энергетический обмен неразрывно связаны между собой: все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии, а для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов. Обмен веществ является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста, развития и функционирования.
Живые клетки способны реагировать на изменения условий окружающей среды (раздражимость), при этом в клетках меняется скорость биосинтеза и распада веществ, потребление кислорода, температура.