Основные уровни организации живого

Молекулярно-генетический уровень.

Элементарными структурами на этом уровне организации жизни являются гены, а элементарными явлениями —конвариантная редупликация, внутриклеточный перенос генетической информации.

ДНК представляет собой двухцепочечный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие азотистое основание (аденин, тимин, гуанин или цитозин), дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны и соединены друг с другом водородными связями по принципу комплементарности. При этом против нуклеотида, содержащего аденин, всегда расположен нуклеотид, содержащий тимин другой цепи, а против гуанина – цитозин.

Функции ДНК: хранение наследственной информации, передача генетической информации из поколения в поколение, передача информации о структуре белков из ядра в цитоплазму.

РНК – одноцепочечный линейный нерегулярный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие азотистое основание (аденин, урацил, гуанин или цитозин), рибозу и остаток фосфорной кислоты. Существует по крайней мере 4 типа РНК:

- и-РНК (информационная) – комплементарная копия участка молекулы ДНК, несущая информацию о последовательности аминокислот в конкретной белковой молекуле.

- р-РНК (рибосомальная), входящая в состав рибосом, участвующих в биосинтезе белка.

т-РНК (транспортная) – переносит определенные аминокислоты к месту синтеза белка в рибосомах.

Главным явлением на этом уровне организации живых организмов является реализация наследственной информации. Носитель наследственности организмов – ген.

Ген – участок молекулы ДНК, определяющий возможность развитие отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы.

Генетический код – свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Определяет последовательность включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь в соответствии с последовательностью нуклеотидов ДНК гена. В узком смысле генетический код – словарь кодонов (триплетов и-РНК), кодирующих те или иные аминокислоты и знаки пунктуации процесса белкового синтеза. Общие свойства генетического кода:

- триплетность – каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов,

- неперекрываемость – кодоны одного гена не перекрываются,

- вырожденность – многие аминокислотные остатки кодируются несколькими кодонами,

- однозначность – каждый отдельный кодон кодирует только один аминокислотный остаток,

- компактность – между кодонами в и-РНК нет «запятых» - нуклеотидов, не входящих в последовательность кодонов данного гена,

- универсальность – генетический код одинаков для всех исследованных организмов.

Кодон – триплет, дискретная единица генетического кода, участок и-РНК, состоящий из трех последовательных нуклеотидов. Кодирует один аминокислотный остаток или служит сигналом для завершения или начала белкового синтеза. Из 64 кодонов 61 кодирует включение 20 аминокислот.

Все биологические организмы, известные нам на Земле, используют одинаковый тип генетического кода.

Реализация генетического кода заключается в биосинтезе белка.

1 этап. Репликация – удвоение молекул ДНК.

2 этап. Транскрипция – перевод информации из последовательности кодонов ДНК в последовательность кодонов и-РНК. Происходит путем матричного синтеза по принципу комплементарности и-РНК на одной из цепей ДНК.

3 этап. Трансляция – перевод информации из последовательности кодонов и-РНК в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Осуществляется путем подбора антикодонов т-РНК к кодонам и-РНК. При этом, если антикодон комплементарен кодону, то аминокислота, принесенная т-РНК, включается в полипептидную цепь. Трансляция осуществляется при участии рибосом, которые последовательно делают кодоны и-РНК доступными для контакта с антикодонами т-РНК.

Все эти процессы в живых клетках протекают очень быстро. Так, на самосборку ДНК, состоящей примерно из 40 тысяч пар нуклеотидов, требуется всего 100 с. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5 — б мин.

Редупликация, основанная на матричном копировании, делает возможным сохранение не только генетической нормы, но и отклонений от нее, т.е. мутаций (основа процесса эволюции).

Основной теорией уровня является хромосомная теория наследственности.

Клеточный уровень.

Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов.

Химическая организация клетки.

Элементный состав. 98 % массы клетки образуют 4 элемента: водород, кислород, углерод и азот. Их называют макроэлементами. Вместе с серой и фосфором, которые входят во вторую группу, их называют биоэлементами. Биоэлементы являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров – белков и нуклеиновых кислот. Во вторую группу кроме серы и фосфора входят калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор. Натрий, калий и хлор обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфор участвуют в формировании межклеточного вещества костной ткани. Кроме того, кальций – один из факторов, от которых зависит нормальная свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина, участвующего в переносе кислорода от легких к тканям. Магний в клетках растений включен в хлорофилл, а у животных входит в состав ферментов, участвующих в биохимических превращениях. К микроэлементам относятся цинк, медь, йод, фтор и некоторые другие. Общий их вклад в массу клетки всего 0,02 %.

Клетка состоит из неорганических и органических компонентов. К неорганическим относятся вода и минеральные соли. К органическим компонентам относятся белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и нуклеотиды.

Белки – линейные нерегулярные биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Аминокислоты – амфотерные органические соединения, в состав которых входит кислотная (карбоксильная) группа, основная (аминогруппа) группа и радикал. Выделяют следующие структуры белков:

- первичная структура представляет собой определенную последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими между углеродом карбоксильной группы одной и азотом аминогруппы последующей аминокислоты.

- вторичная структура – спираль, образованная полипептидной цепью, которая удерживается водородными связями.

- третичная структура – глобула, в которую сворачивается спираль; удерживается: дисульфидными, ионными, гидрофобными и водородными связями.

- четвертичная структура – структурно-функциональный комплекс белковых молекул, обладающих третичной структурной организацией.

Функции белков: каталитическая – все ферменты, ускоряющие процессы метаболизма в организме имеют белковую природу, пластическая, регуляторная, сигнальная (рецепторы), транспортная, двигательная, защитная (антитела) и энергетическая (17,6 кДж).

Углеводы (сахариды) – органические вещества с общей формулой С_n(H₂O)_m. Простые углеводы называются моносахаридами, сложные – полисахаридами. Функции: пластическая, сигнальная, резервная, энергетическая (17,6 кДж).

Жиры (липиды) представляют собой эфиры высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Функции: пластическая (мембраны клеток), растворитель, резервная, энергетическая 938,9 кДж).

Метаболизм – обмен веществ, протекающий в клетках живых организмов. Обменные процессы обеспечивают постоянство внутренней среды организма – т.н. гомеостаз.

Совокупность реакций биологического синтеза называется пластическим обменом: из веществ, поступающих в клетку извне, образуются молекулы, подобные соединениям клетки, т.е. происходит ассимиляция. Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция – совокупность реакций расщепления. При расщеплении высокомолекулярных соединений выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза – т.н. энергетический обмен. Энергетический обмен состоит из трех этапов: подготовительного, бескислородного и кислородного.

Важную роль в получении энергии клетками растений играет фотосинтез. Фотосинтез – это процесс образования органических молекул из неорганических за счет использования энергии света.

Основной теорией уровня является клеточная теория. Ее основные положения:

1. Клетка является структурно-функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов.

2. Клеткам присуще мембранное строение.

3. Ядро – главная составная часть клетки.

4. Клетки размножаются только делением.

5. Клеточное строение организма – свидетельство того, что растения и животные имеют единое происхождение.

Онтогенетический (организменный) уровень.

Онтогенезом называют совокупность процессов, протекающих в организме с момента образования зиготы до смерти.

Этот уровень организации биологических систем связан с жизнедеятельностью отдельных особей, дискретных индивидуумов. Онтогенез состоит из роста, перемещения отдельных структур, дифференциации и усложнения интеграции организма. По сути, онтогенез — это процесс реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки, а также испытания, проверки согласованности и работы управляющих систем во времени и пространстве, приспособления особи к среде и др.

Онтогенез подразделяют на 2 этапа: эмбриональный и постэмбриональный.

Эмбриональный период. Эмбриональным считают период зародышевого развития с момента образования зиготы до выхода из яйцевых оболочек или рождения. В процессе зародышевого развития эмбрион проходит стадии дробления, гаструляции, первичного органогенеза и дальнейшей дифференцировки органов и тканей.

Дробление – это процесс образования многоклеточного однослойного зародыша – бластулы.

Гаструляция – процесс образования двухслойного зародыша – гаструлы.

Первичный органогенез – процесс образования нейрулы, в результате которого образуется комплекс осевых органов.

Дифференцировка – процесс возникновения и нарастания структурных и функциональных различий между отдельными клетками и частями зародыша. С морфологической точки зрения дифференцирование выражается в том, что образуются несколько сотен типов клеток специфического строения, отличающихся друг от друга. С биохимической точки зрения специализация клеток заключается в синтезе определенных белков, свойственных только данному типу клеток. Биохимическая специализация клеток обеспечивается дифференциальной активностью генов, т.е. в клетках – зачатков определенных органов и систем начинают функционировать разные группы генов.

Постэмбриональный период развития начинается в момент рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Постэмбриональное развитие может быть прямым или непрямым и сопровождаться метаморфозом (превращением). При прямом развитии из яйцевых оболочек или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные взрослому животному (пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). Постэмбриональное развитие у этих животных сводится в основном к росту и половому созреванию – дорепродуктивный период, размножению – репродуктивный период и старению – пострепродуктивный период.

При развитии с метаморфозом из яйца выходит личинка, обычно устроенная проще взрослого животного, со специальными личиночными органами, отсутствующими во взрослом состоянии. Личинка питается, растет и со временем личиночные органы заменяются органами, свойственными взрослым животным. При неполном метаморфозе замена личиночных органов происходит постепенно, без прекращения активного питания и перемещения организма (саранча, амфибии). Полный метаморфоз включает стадию куколки, в которой личинка преобразовывается во взрослое животное – имаго (бабочки).

Бэром сформулирован закон зародышевого сходства: эмбрионы обнаруживают, уже начиная с самых ранних стадий, известное общее сходство в пределах типа.

Сходство зародышей разных систематических групп свидетельствует об общности их происхождения. В дальнейшем в зародыше проявляются признаки класса, рода, вида и, наконец, признаки, характерные для данной особи.

Пока не создана общая теория онтогенеза, не ясны все причины и факторы, определяющие строгую организованность этого процесса. Имеющиеся результаты позволяют понять только некоторые отдельные процессы, обеспечивающие индивидуальное развитие организма. Прежде всего это касается изучения дифференциации. Элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат особи, а элементарными явлениями — процессы, связанные с их дифференциацией.

Популяционно-видовой уровень.

Популяция – это совокупность особей одного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания собственной численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды.

Популяция — основная элементарная структура на популяционно-видовом уровне, а элементарное явление на этом уровне — изменение генотипического состава популяции; элементарный материал этом уровне — мутации.

В синтетической теории эволюции выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, внешние условия (популяционные волны, изоляция) и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать определенное воздействие на популяцию и вызвать изменения в генотипическом составе популяции.

На популяционно-видовом уровне особую роль играет свободное скрещивание между особями внутри популяции и вида. Виды являются наименьшими генетически закрытыми системами, поскольку скрещивание особей разных видов в природе в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства.

Популяции целостны, хотя состоят из множества особей. Их целостность обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетическим материалом в процессе полового размножения.

Характеристики популяции:

1. численность – общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Численность популяции зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности.

2. плотность – это количество особей (или биомасса) на единицу площади (или объема).

3. пространственное распределение особей в популяции, которое бывает равномерным, случайным и групповым. Знание пространственного распределения особей имеет большое значение при оценке плотности популяции и выделении видов-доминантов.

4. рождаемость – количество новых особей, появившихся в популяции за определенный промежуток времени. Различают максимальную и реализованную рождаемость.

5. смертность – количество погибших особей в популяции за определенный промежуток времени.

6. возрастная структура популяции – соотношение возрастных групп, выделяемых по способности особей к размножению.

Биогеоценотический уровень. Включает биоценозы, биогеоценозы и биосферу.

Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой.

Биоценоз образуют виды, способные к совместному существованию. Приспособленность членов биоценоза к совместной жизни выражается в определенном сходстве требований к абиотическим условиям среды и отношениях друг с другом.

Характеристики биоценоза.

1. видовая структура – разнообразие видов в биоценозе и соотношение их численности или массы. Видовой состав биоценозов зависит от длительности и истории существования сообществ.

2. пространственная структура. Выделяют горизонтальную и вертикальную структуру биоценоза. Вертикальная структура биоценоза выражена в ярусности и позволяет снизить конкуренцию за световые ресурсы между растениями. Горизонтальная структура выражена в мозаичности сообществ и отражает его сложную структуру, связанную с микроразличиями среды обитания сообщества.

3. отношения организмов в биоценозе – тот клей, который не позволяет распадаться сообществу на отдельные части, это все взаимодействия, в которые вступают организмы биоценоза. Определяющими отношениями в сообществах живых существ являются пищевые (трофические), которые наблюдаются тогда, когда один вид питается другим либо его останками, либо продуктами жизнедеятельности. Пищевые отношения определяют экологические ниши живых организмов, входящих в сообщество. Правило Гаузе: два разных вида не могут занимать одну экологическую нишу. Еще одним важным видом отношений являются отношения места – это любые изменения условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого. Кроме перечисленных выделяют и другие типы отношений в биоценозе.

Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) — биогеоценозы.

Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) ~ взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергий.

Биогеоценоз — одна из наиболее сложных природных систем. Биогеоценозы состоят из абиотических компонентов (биотоп) и биотических компонентов (биоценоз). Абиотическими компонентами биогеоценозов являются атмосфера, солнечная энергия, почва, вода. Компонентами биоценоза являются растения, животные, микроорганизмы и грибы. С точки зрения трофической структуры биотические компоненты биогеоценоза делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — зеленые растения и микроорганизмы, хемосинтетики, производящие органическое вещество. Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов — потребителей готового органического вещества (животных, грибов, большинства бактерий, вирусов).

Характеристики биогеоценоза.

1. целостность. Биогеоценоз — это целостная система. Выпадание одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы.

2. Самоорганизация и саморегуляция. Жизнь биогеоценоза регулируется силами, действующими внутри самой системы.

3. структура биогеоценоза, выраженная во внутренних связях и взаимодействии с окружающей средой. Виды в биогеоценозе действуют друг на друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). В то же время биогеоценоз представляет собой достаточно обособленную систему, имеющую каналы вывода вещества и энергии, связывающие соседние биогеоценозы.

4. устойчивость. Биогеоценоз — уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система, которая является результатом длительной и глубокой адаптации составных компонентов. Устойчивость его пропорциональна многообразию его компонентов: чем многообразнее биогеоценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами, гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктического поясов, так как тропические биогеоценозы состоят из гораздо большего множества видов растений и животных, чем умеренные и тем более арктические биогеоценозы.

Вся совокупность связанных между собой круговоротом веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образует биосферу Земли.