Наука молекулярно-генетичної організації. Молекулярно-генетичний рівень - лекції по концепціям сучасного природознавства
Розрізняють такі рівні організації живої матерії - рівні біологічної організації: молекулярний, клітинний, тканинний, органний, організменний, популяційно-видовий і екосистемний.
Молекулярний рівень організації - це рівень функціонування біологічних макромолекул - біополімерів: нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів, ліпідів, стероїдів. З цього рівня починаються найважливіші процеси життєдіяльності: обмін речовин, перетворення енергії, передача спадкової інформації. Цей рівень вивчають: біохімія, молекулярна генетика, молекулярна біологія, генетика, біофізика.
клітинний рівень - це рівень клітин (клітин бактерій, ціанобактерій, одноклітинних тварин і водоростей, одноклітинних грибів, клітин багатоклітинних організмів). Клітина - це структурна одиниця живого, функціональна одиниця, одиниця розвитку. Цей рівень вивчають цитологія, цитохімія, цитогенетика, мікробіологія.
Тканинний рівень організації - це рівень, на якому вивчається будова і функціонування тканин. Досліджується цей рівень гістологією і Гистохимія.
Органний рівень організації - це рівень органів багатоклітинних організмів. Вивчають цей рівень анатомія, фізіологія, ембріологія.
Організменний рівень організації - це рівень одноклітинних, колоніальних і багатоклітинних організмів. Специфіка организменного рівня в тому, що на цьому рівні відбувається декодування і реалізація генетичної інформації, формування ознак, притаманних особам даного виду. Цей рівень вивчається морфологією (анатомією і ембріологією), фізіологією, генетикою, палеонтологією.
Популяційно-видовий рівень - це рівень сукупностей особин - популяцій і видів. Цей рівень вивчається систематикою, таксономії, екологією, біогеографією, генетикою популяцій. На цьому рівні вивчаються генетичні та екологічні особливості популяцій, елементарні еволюційні чинники і їх вплив на генофонд (мікроеволюція), проблема збереження видів.
Екосистемний рівень організації - це рівень мікроекосістему, мезоекосістем, макроекосістем. На цьому рівні вивчаються типи харчування, типи взаємовідносин організмів і популяцій в екосистемі, чисельність популяцій, Динаміка чисельності популяцій, щільність популяцій, продуктивність екосистем, сукцессии. Цей рівень вивчає екологія.
виділяють також біосферний рівень організації живої матерії. Біосфера - це гігантська екосистема, яка займає частину географічної оболонки Землі. Це мега-екосистема. У біосфері відбувається круговорот речовин і хімічних елементів, а також перетворення сонячної енергії.
2. Фундаментальні властивості живої матерії
Обмін речовин (метаболізм)
Обмін речовин (метаболізм) - сукупність протікають в живих системах хімічних перетворень, що забезпечують їх життєдіяльність, зростання, відтворення, розвиток, самозбереження, постійний контакт з навколишнім середовищем, здатність адаптуватися до неї і її змін. У процесі обміну речовин відбувається розщеплення і синтез молекул, що входять до складу клітин; освіту, руйнування і оновлення клітинних структур і міжклітинної речовини. В основі метаболізму лежать взаємопов'язані процеси асиміляції (анаболізм) і дисиміляції (катаболізм). Асиміляція - процеси синтезу складних молекул з простих з витрачанням енергії, запасеної в ході дисиміляції (а також накопичення енергії при відкладенні в запас синтезованих речовин). Дисиміляція - процеси розщеплення (анаеробного або аеробного) складних органічних сполук, що йде з вивільненням енергії, необхідної для здійснення життєдіяльності організму. На відміну від тіл неживої природи обмін з навколишнім середовищем для живих організмів є умовою їхнього існування. При цьому відбувається самовідновлення. Процеси обміну речовин, які відбуваються всередині організму, об'єднані в метаболічні каскади і цикли хімічними реакціями, які строго впорядковані в часі і просторі. Узгоджене перебіг великої кількості реакцій в малому обсязі досягається шляхом упорядкованого розподілу окремих ланок обміну речовин в клітині (принцип компартментализации). Процеси обміну речовин регулюються за допомогою біокаталізаторів - особливих білків-ферментів. Кожен фермент володіє субстратной специфічністю каталізувати перетворення лише одного субстрату. В основі цієї специфічності лежить своєрідне "впізнавання" субстрату ферментом. Ферментативний каталіз відрізняється від небіологічного надзвичайно високою ефективністю, В результаті чого швидкість відповідної реакції підвищується в 1010 - 1013 разів. Кожна молекула ферменту здатна здійснювати від кількох тисяч до кількох мільйонів операцій в хвилину, не руйнуючись в процесі участі в реакціях. Ще одна характерна відмінність ферментів від небіологічних каталізаторів полягає в тому, що ферменти здатні прискорювати реакції при звичайних умовах (атмосферному тиску, температури тіла організму і т.п.). Всі живі організми можуть бути розділені на дві групи - автотрофи і гетеротрофи, що відрізняються джерелами енергії і необхідних речовин для своєї життєдіяльності. Автотрофи - організми, які синтезують з неорганічних речовин органічні сполуки з використанням енергії сонячного світла (фотосинтетики - зелені рослини, водорості, деякі бактерії) або енергії, одержуваної при окисленні неорганічного субстрату (хемосинтетики - сіро, железобактерии і деякі інші), автотрофні організми здатні синтезувати всі компоненти клітини. Роль фотосинтезуючих автотрофів в природи є визначальною - будучи первинним продуцентом органічної речовини в біосфері, вони забезпечують існування всіх інших організмів і хід біогеохімічних циклів в круговороті речовин на Землі. Гетеротрофи (всі тварини, гриби, більшість бактерій, деякі бесхлорофілльние рослини) - організми, які потребують для свого існування в готових органічних речовинах, які, вступаючи в якості їжі, служать як джерелом енергії, так і необхідним "будівельним матеріалом". Характерною рисою гетеротрофов є наявність у них амфіболізма, тобто процесу освіти дрібних органічних молекул (мономерів), що утворюються при перетравленні їжі (процес деградації складних субстратів). Такі молекули - мономери використовуються для складання власних складних органічних сполук.
Самовідтворення (репродукція)
Здатність до розмноження (відтворення собі подібних, самовідтворення) відноситься до одного з фундаментальних властивостей живих організмів. Розмноження необхідно для того, щоб забезпечити безперервність існування видів, тому що тривалість життя окремого організму обмежена. Розмноження з надлишком компенсує втрати, зумовлені природним відмиранням особин, і таким чином підтримує збереження виду в низці поколінь особин. В процесі еволюції живих організмів відбувалася еволюція способів розмноження. Тому у нині існуючих численних і різноманітних видів живих організмів ми виявляємо різні форми розмноження. Багато видів організмів поєднують кілька способів розмноження. Необхідно виділити два, принципово відрізняються типу розмноження організмів - безстатеве (первинний і більш давній тип розмноження) і статеве. В процесі безстатевого розмноження нова особина утворюється з однієї або групи клітин (у багатоклітинних) материнського організму. При всіх формах безстатевого розмноження нащадки мають генотипом (сукупність генів) ідентичним материнському. Отже, все потомство одного материнського організму виявляється генетично однорідним і дочірні особини мають однаковий комплексом ознак. При статевому розмноженні нова особина розвивається з зиготи, що утворюється шляхом злиття двох спеціалізованих статевих клітин (процес запліднення), що продукуються двома батьківськими організмами. Ядро в зиготі містить гібридний набір хромосом, що утворюється в результаті об'єднання наборів хромосом злилися ядер гамет. В ядрі зиготи, таким чином, створюється нова комбінація спадкових задатків (генів), привнесених в рівній мірі обома батьками. А розвивається з зиготи дочірній організм буде володіти новим поєднанням ознак. Іншими словами, при статевому розмноженні відбувається здійснення комбинативной форми спадкової мінливості організмів, що забезпечує пристосування видів до мінливих умов середовища і представляє собою істотний фактор еволюції. В цьому полягає значна перевага статевого розмноження в порівнянні з безстатевим. Здатність живих організмів до самовідтворення базується на унікальній властивості нуклеїнових кислот до репродукції і феномен матричного синтезу, що лежить в основі утворення молекул нуклеїнових кислот і білків. Самовідтворення на молекулярному рівні обумовлює як здійснення обміну речовин в клітинах, так і самовідтворення самих клітин. Клітинний розподіл (самовідтворення клітин) лежить в основі індивідуального розвитку багатоклітинних організмів і відтворення всіх організмів. Розмноження організмів забезпечує самовідтворення всіх видів, що населяють Землю, що в свою чергу обумовлює існування біогеоценозів і біосфери.
Спадковість і мінливість
Спадковість забезпечує матеріальну спадкоємність (потік генетичної інформації) між поколіннями організмів. Вона тісно пов'язана з репродукцією на молекулярному, субклітинному і клітинному рівнях. Генетична інформація, яка визначає різноманітність спадкових ознак, зашифрована в молекулярній структурі ДНК (у деяких вірусів - в РНК). В генах закодована інформація про структуру синтезованих білків, ферментних і структурних. Генетичний код - це система "записи" інформації про послідовність розташування амінокислот в білках, що синтезуються за допомогою послідовності нуклеотидів в молекулі ДНК. Сукупність усіх генів організму називається генотипом, а сукупність ознак - фенотипом. Фенотип залежить як від генотипу, так і внутрішніх чинників внутрішньої і зовнішнього середовища , Які впливають на активність генів і обумовлюють регулярні процеси. Зберігання та передача спадкової інформації здійснюється у всіх організмів за допомогою нуклеїнових кислот, генетичний код єдиний для всіх живих істот на Землі, тобто він універсальний. Завдяки спадковості з покоління в покоління передаються ознаки, що забезпечують пристосованість організмів до середовища їхнього перебування. Якби при розмноженні організмів виявлялася тільки спадкоємність існуючих ознак і властивостей, то на тлі мінливих умов зовнішнього середовища існування організмів було б неможливо, так як необхідною умовою життя організмів є їх пристосованість до умов середовища існування. Виявляється мінливість в розмаїтті організмів, що належать до одного і того ж виду. Мінливість може реалізовуватися у окремих організмів в ході їх індивідуального розвитку або в межах групи організмів в ряду поколінь при розмноженні. Виділяють дві основні форми мінливості, що розрізняються за механізмами виникнення, характером зміни ознак і, нарешті, їх значимості для існування живих організмів - генотипическую (спадкову) і модификационную (ненаследственную). Генотипическая мінливість пов'язана зі зміною генотипу і призводить до зміни фенотипу. В основі генотипической мінливості можуть лежати мутації (мутационная мінливість) або нові комбінації генів, що виникають в процесі запліднення при статевому розмноженні. При мутаційної формі зміни пов'язані, в першу чергу, з помилками при реплікації нуклеїнових кислот. Таким чином відбувається виникнення нових генів, що несуть нову генетичну інформацію; відбувається поява нових ознак. І якщо знову виникають ознаки корисні організму в конкретних умовах, то вони "підхоплюються" і "закріплюються" природним відбором. Таким чином, на спадкової (генотипической) мінливості базується пристосовність організмів до умов зовнішнього середовища, різноманітність організмів, створюються передумови для позитивної еволюції. При ненаследственной (модификационной) мінливості відбуваються зміни фенотипу під дією факторів зовнішнього середовища і не пов'язані зі зміною генотипу. Модифікації (зміни ознак при модифікаційної мінливості) відбуваються в межах норми реакції, яка перебуває під контролем генотипу. Модифікації не передаються наступним поколінням. Значення модифікаційної мінливості полягає в тому, що вона забезпечує пристосовність організму до факторів зовнішнього середовища на протязі його життя.
Індивідуальний розвиток організмів
Всім живим організмам властивий процес індивідуального розвитку - онтогенез. Традиційно, під онтогенезом розуміють процес індивідуального розвитку багатоклітинного організму (що утворюється в результаті статевого розмноження) від моменту формування зиготи до природної смерті особи. За рахунок поділу зиготи і наступних поколінь клітин формується багатоклітинний організм, що складається з величезної кількості різних типів клітин, різних тканин і органів. Розвиток організму базується на "генетичній програмі" (закладеної в генах хромосом зиготи) і здійснюється в конкретних умовах середовища, що істотно впливає на процес реалізації генетичної інформації в ході індивідуального існування особи. На ранніх етапах індивідуального розвитку відбувається інтенсивний ріст (збільшення маси і розмірів), обумовлений репродукцією молекул, клітин і інших структур, і диференціювання, тобто поява відмінностей в структурі та ускладнення функцій. На всіх етапах онтогенезу істотне регулюючий вплив чинять на розвиток організму різні фактори зовнішнього середовища (температура, гравітація, тиск, склад їжі за вмістом хімічних елементів і вітамінів, різноманітні фізичні і хімічні агенти). Вивчення ролі цих чинників у процесі індивідуального розвитку тварин і людини має величезне практичне значення, що зростає в міру посилення антропогенного впливу на природу. У різних областях біології, медицини, ветеринарії та інших наук широко проводяться дослідження з вивчення процесів нормального і патологічного розвитку організмів, з'ясування закономірностей онтогенезу.
подразливість
Невід'ємним властивістю організмів і всіх живих систем є подразливість - здатність сприймати зовнішні або внутрішні подразники (впливу) і адекватно на них реагувати. У організмів подразливість супроводжується комплексом змін, що виражаються в зрушеннях обміну речовин, електричного потенціалу на мембранах клітин, фізико-хімічних параметрів в цитоплазмі клітин, в рухових реакціях, а високоорганізованих тварин притаманні зміни в їх поведінці.4. Центральна догма молекулярної біології - узагальнююче спостерігається в природі правило реалізації генетичної інформації: інформація передається від нуклеїнових кислот до білку, Але не в зворотному напрямку. Правило було сформульовано Френсісом Криком в 1958 році і приведено у відповідність з накопиченими на той час даними в 1970 році. Перехід генетичної інформації від ДНК до РНК і від РНК до білку є універсальним для всіх без винятку клітинних організмів, лежить в основі біосинтезу макромолекул. Реплікації генома відповідає інформаційний перехід ДНК → ДНК. У природі зустрічаються також переходи РНК → РНК і РНК → ДНК (наприклад у деяких вірусів), а також зміна конформації білків, що передається від молекули до молекули.
Універсальні способи передачі біологічної інформації
У живих організмах зустрічаються три види гетерогенних, тобто складаються з різних мономерів полімеру - ДНК, РНК і білок. Передача інформації між ними може здійснюватися 3 х 3 \u003d 9 способами. Центральна догма розділяє ці 9 типів передачі інформації на три групи:
Загальний - зустрічаються у більшості живих організмів;
Спеціальний - зустрічаються як виняток, у вірусів і у мобільних елементів геному або в умовах біологічного експерименту;
Невідомі - не виявлені.
Реплікація ДНК (ДНК → ДНК)
ДНК - основний спосіб передачі інформації між поколіннями живих організмів, тому точне подвоєння (реплікація) ДНК дуже важлива. Реплікація здійснюється комплексом білків, які розплітає хроматин, Потім подвійну спіраль. Після цього ДНК полімераза і асоційовані з нею білки, будують на кожній з двох ланцюжків ідентичну копію.
Транскрипція (ДНК → РНК)
Транскрипція - біологічний процес, в результаті якого інформація, що міститься в ділянці ДНК, копіюється на синтезируемую молекулу інформаційної РНК. транскрипцію здійснюють фактори транскрипції і РНК-полімераза. В еукаріотичної клітці первинний транскрипт (пре-іРНК) часто редагується. Цей процес називається сплайсингом.
Трансляція (РНК → білок)
Зріла іРНК зчитується рибосомами в процесі трансляції. В прокариотических клітинах процес транскрипції і трансляції не розділений просторово, і ці процеси пов'язані. В еукаріотичних клітинах місце транскрипції клітинне ядро відокремлено від місця трансляції ( цитоплазми) ядерноїмембраною, Тому іРНК транспортується з ядра в цитоплазму. іРНК зчитується рибосомою у вигляді трьох нуклеотидних «Слів». комплекси факторів ініціації і факторів елонгації доставляють аміноацілірованние транспортні РНК до комплексу іРНК-рибосома.
5. Зворотній транскрипція - це процес утворення двуцепочечной ДНК на матриці одноцепочечной РНК. Даний процес називається зворотного транскрипцією, так як передача генетичної інформації при цьому відбувається в «зворотному», щодо транскрипції, напрямку.
Ідея зворотної транскрипції спочатку була дуже непопулярна, тому що суперечила центральній догми молекулярної біології, Яка передбачала, що ДНК транскрибується в РНК і далі транслюється в білки. зустрічається у ретровірусів, Наприклад, ВІЛ і в разі ретротранспозонов.
трансдукція (від лат. transductio - переміщення) - процес перенесення бактеріальної ДНК з однієї клітини в іншу бактериофагом. Загальна трансдукция використовується в генетиці бактерій для картування геному і конструювання штамів. До трансдукції здатні як помірні фаги, так і хвороботворні, останні, проте, знищують популяцію бактерій, тому трансдукция з їх допомогою не має великого значення ні в природі, ні при проведенні досліджень.
Векторна молекула ДНК - це молекула ДНК, яка виступає в ролі носія. Молекулу-носій повинен відрізняти ряд особливостей:
Здатність до автономної реплікації в клітині господаря (частіше бактеріальної або дріжджовий)
Наявність селективного маркера
Наявність зручних сайтів рестрикції
У ролі векторів найчастіше виступають бактеріальні плазміди.
Для якої властива організація з чіткою ієрархією. Саме це властивість і відображають так звані рівні організації життя. У такій системі всі частини чітко розташовані, починаючи від нижчого порядку до вищого.
Рівні організації життя - це ієрархічна система з супідрядними порядками, яка відображає не тільки характер біосистем, а й їх поступове ускладнення у відношенні один до одного. На сьогоднішній день прийнято виділяти вісім основних рівнів
Крім того, виділяють наступні системи організації:
1. Мікросистема - це якась доорганізменная щабель, яка включає в себе молекулярні і субклітинні рівні.
2. Мезосістема - це наступна, організмовому ступінь. Сюди відносять клітинний, тканинний, органний, системний і організменние рівні організації життя.
Існують також і макросистеми, які представляють собою надорганізменного сукупність рівнів.
Варто також відзначити, що кожен рівень має власні характеристики, які і будуть розглянуті нижче.
Доорганізменние рівні організації життя
Тут прийнято виділяти дві основні ступені:
1. Молекулярний рівень організації життя - є рівень роботи і організації біологічних макромолекул, включаючи білки, нуклеїнові кислоти, Ліпіди і полісахариди. Саме тут починаються найважливіші процеси життєдіяльності будь-якого організму - клітинне дихання, перетворення енергії, а також передача генетичної інформації.
2. Субклітинний рівень - сюди можна віднести організацію клітинних органел, кожна з яких виконує важливу роль в існуванні клітини.
Організменние рівні організації життя
До цієї групи можна віднести ті системи, які забезпечують цілісну роботу всього організму. Прийнято виділяти такі:
1. клітинний рівень організації життя. Ні для кого не секрет, що саме клітина є структурною одиницею будь-якого Цей рівень вивчається за допомогою цитологічних, цитохімічних, цитогенетичних і
2. Тканинний рівень. Тут основна увага варто приділити будові, особливостям і функціонуванню різного роду тканин, з яких, власне, і складаються органи. Дослідженнями цих структур займаються гістологія і гістохімія.
3. Органний рівень. характеризуються новим рівнем організації. Тут деякі групи тканин об'єднуються, утворюючи цілісну структуру із специфічними функціями. Кожен орган є частиною живого організму, але не може самостійно існувати поза ним. Цей рівень вивчають такі науки, як фізіологія, анатомія і в деякій мірі ембріологія.
організменний рівеньявляє собою як одноклітинні, так і багатоклітинні організми. Адже кожен організм є цілісною системою, всередині якої здійснюються всі важливі для життєдіяльності процеси. Крім того, до уваги беруться і процеси запліднення, розвитку і зростання, а також старіння окремого організму. Вивченням цього рівня займаються такі науки, як фізіологія, ембріологія, генетика, анатомія, палеонтологія.
Надорганізменну рівні організації життя
Тут до уваги беруться вже не організми та їх структурні частини, а певна сукупність живих істот.
1. Популяційно-видовий рівень. Основною одиницею тут є популяція - сукупність організмів певного виду, яка заселяє чітко обмежену територію. Всі особини здатні до вільного схрещування між собою. У дослідженні цього рівня беру участь такі науки, як систематика, екологія, генетика популяцій, біогеографія, таксономія.
2. Екосистемний рівень - тут до уваги береться стійке співтовариство різних популяцій, існування яких тісно пов'язане між собою і залежить від кліматичних умов і т. д. В основному вивченням такого рівня організації займається екологія
3. Біосферний рівень - це вища форма організації життя, яка представляє собою глобальний комплекс біогеоценозів всієї планети.
теорія Еволюції
Методичні вказівки до лабораторних занять
для студентів агрономічного факультету
Міасское
Методичні вказівки до виконання лабораторних занять призначені для студентів агрономічного факультету навчаються за напрямом 35.03.04 «Агрономія», 35.03.07 «Технологія виробництва і переробки сільськогосподарської продукції» на очній і заочній формах навчання з метою освоєння дисципліни «Теорія еволюції».
укладач:
Матвєєва О. Ю. - канд. біол. наук (Інститут агроекології - філія ФГБОУ ВО ЮУрГАУ)
© Південно-Уральський державний аграрний університет, 2016
© Інститут агроекології, 2016
Структура і оцінювання звіту по лабораторного заняття .................. .4
Властивості і рівні організації живої матерії ...................... ............ .5
Моделювання еволюції ................................................. ............ 24
Еволюційні погляди вчених ........................................ ............ ..26
Еволюційні теорії Ж. Б. Ламарка і Ч. Дарвіна ............. ............... .79
Основні етапи розвитку органічного світу ................... ............... .90
Еволюція організмів як адаптациогенез ....................................... 108
Генетичні основи еволюції ................................................... ..118
Фактори макроеволюції ............................................................ ..128
Структура і оцінювання звіту по лабораторного заняття
Звіт по лабораторного заняття використовується для оцінки якості освоєння студентом освітньої програми за темами дисципліни. Звіт оцінюється оцінкою «зараховано», «не зараховано» (таблиця 1).
Таблиця 1 - Критерії оцінювання звіту
1 Тема лабораторного заняття
2 Виконані завдання
3 Відповіді на контрольні питання
Властивості і рівні організації живої матерії
Вступ
Органічний світ являє собою єдине ціле, т. К. Складає систему взаємопов'язаних частин (в яких існування одних організмів залежить від інших), і в той же час дискретний (складається з окремих одиниць - організмів, або особин). Кожен живий організм також дискретний, тому що складається з окремих органів, тканин, клітин, але разом з тим кожен з органів, володіючи певною автономністю, діє як частина цілого. Кожна клітина складається з органоїдів, але функціонує як єдине ціле. Спадкова інформація здійснюється генами, але жоден з генів поза всієї сукупності не визначає розвиток ознаки і т. Д.
З дискретністю життя пов'язані різні рівні організації органічного світу, які можна визначити як дискретні стану біологічних систем, що характеризуються властивостями співпідпорядкованості, взаємозв'язку, специфічними закономірностями. При цьому кожен новий рівень відрізняється особливими властивостями і закономірностями колишнього, нижчого рівня, оскільки кожен організм, з одного боку, складається з підлеглих йому елементів, а з іншого - сам є елементом, що входять до складу якоїсь макробіологічної системи. На всіх рівнях життя виявляються такі її атрибути, як дискретність і цілісність, структурна організація, обмін речовиною, енергією та інформацією. Існування життя на всіх рівнях готується і визначається структурою нижчого рівня. Характер клітинного рівня організації визначається молекулярним і субклітинних рівнями, організменний - клітинним, тканинним і т. Д.
Структурні рівні організації життя надзвичайно різноманітні, але з усього їх різноманіття основними є молекулярно-генетичний, онтогенетичний, популяційно-видовий і біосферний.
Молекулярно-генетичний рівень життя
Для нормального життєвого циклу будь-якого організму необхідний певний набір основних хімічних елементів. Цей набір включає в себе три групи елементів: макроелементи, мікроелементи і ультрамікроелементи.
До макроелементів, які називають, органогенами відносяться чотири елементи - вуглець, кисень, азот і водень. Ці елементи складають основну масу органічної речовини клітини (95-99%).
До макроелементів відносять також калій, натрій, кальцій, магній, фосфор, сірку, хлор і залізо, кількість яких у клітці коливається від десятих до сотих часток відсотка (1,9%).
Мікроелементами називають такі елементи, які присутні в живих тканинах в дуже малих концентраціях (0,001% до 0,000001%). Цю групу складають: марганець, залізо, кобальт, мідь, цинк, ванадій, бор, алюміній, кремній, молібден, йод (.01%). Входять до складу біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів, гормонів.
Ультрамікроелементи - елементи, зміст яких у клітці не перевищує 0,000001%. Цю групу складають золото, уран, радій і ін.
Таким чином, для нормальної життєдіяльності жива клітина потребує 24 природних хімічних елементах, кожен з яких має своє призначення, всього в клітинах виявлено 80 елементів.
Основними органічними речовинами клітини є вуглеводи, ліпіди, амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти.
До вуглеводів відносять сполуки вуглецю, які поділяють на три групи сахаридов. Вуглеводи відіграють важливу роль в житті організмів: вони є компонентом сполучної тканини хребетних тварин, забезпечують згортання крові, відновлення пошкоджених тканин, утворюють стінки рослин, бактерій, грибів і т. Д.
Ліпіди - різноманітні групи водовідштовхувальних з'єднань, велика частина ліпідів являє собою складні ефіри трехатомного спирту, гліцерину і жирних кислот, т. Е. Жири. Жири служать джерелом енергії і води для клітини і організму в цілому, крім того вони беруть участь в терморегуляції організму, створюючи теплоизолирующий жировий шар. Інші види ліпідів виконують захисну функцію, Входячи до складу зовнішнього скелета комах, покриваючи пір'я і шерсть.
Амінокислотами називають сполуки, що мають в своєму складі карбоксильну групу і аміногрупу. Всього в природі зустрічається більше 170 амінокислот. У клітинах вони виконують функцію будівельного матеріалу для білків. Однак в складі білків зустрічаються тільки 20 амінокислот. Більшість амінокислот виробляється рослинами і мікроорганізмами. Однак у деяких тварин відсутня частина ферментів, необхідних для синтезу амінокислот, тому вони повинні отримувати деякі амінокислоти з їжею. Такі кислоти називаються незамінними. Для людини вісім кислот незамінні, а ще чотири замінні тільки умовно. Найважливішим властивістю амінокислот є їх здатність вступати в реакцію полконденсаціі з утворенням полімерних ланцюгів - поліпептидів і білків.
Білки є основним будівельним матеріалом для клітини. Вони являють собою складні біополімери, елементами яких виступають мономерні ланцюги, що складаються з різних сполучень двадцяти амінокислот. У живій клітині білків більше, ніж інших органічних сполук (до 50% сухої маси).
Більшість білків виконують функцію каталізаторів (ферментів). Також білки грають роль переносників; наприклад, гемоглобін переносить кисень від легенів до тканин. М'язові скорочення і внутрішньоклітинні руху - результат взаємодії молекул білків, функція яких полягає в координації руху. Є білки - антитіла, функцією яких є захист організму від вірусів, бактерій і т. Д. Активність нервової системи залежить від білків, за допомогою яких збирається і зберігається інформація з навколишнього середовища. Білки, які називаються гормонами, управляють ростом клітин і їх активністю.
Досить добре вивчені сьогодні молекулярні основи обміну речовин в клітині.
Існує три основних типи обміну речовин (метаболізму):
Катаболізм, або дисиміляція - процес розщеплення складних органічних сполук, що супроводжується виділенням хімічної енергії при розриві хімічних зв'язків. Ця енергія запасається в фосфатних зв'язках АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти).
Амфоболізм - процес освіти в ході катаболізму дрібних молекул, які потім беруть участь в будівництві складніших молекул.
Анаболизм, або асиміляція - розгалужена система процесів біосинтезу складних молекул з витрачанням енергії АТФ.
Існує кілька механізмів мінливості на молекулярному рівні. Найважливішим із них є механізм мутації генів - безпосереднє перетворення самих генів, що знаходяться в хромосомі під впливом зовнішніх чинників. Факторами, що викликають мутацію (мутагенами), є: радіація, токсичні хімічні сполуки, А також віруси. При цьому механізмі порядок розташування генів в хромосомі не змінюється.
Ще один механізм мінливості - рекомбінація генів. Це створення нових комбінацій генів, розташованих в конкретній хромосомі. При цьому самі гени не змінюються, а переміщаються з одного ділянки хромосоми на інший, або йде обмін генами між двома хромосомами. Такий процес має місце при статевому розмноженні у вищих організмів. При цьому не відбувається зміни загального обсягу генетичної інформації, він залишається незмінним. Цей механізм пояснює, чому діти лише частково схожі на своїх батьків - вони успадковують ознаки від обох батьківських організмів, які поєднуються випадковим чином.
Ще один механізм мінливості був відкритий лише в 1950-і роки. Це - некласична рекомбінація генів, при якій відбувається загальне збільшення обсягу генетичної інформації за рахунок включення в геном клітини нових генетичних елементів. Найчастіше ці елементи привносяться в клітку вірусами. Сьогодні виявлено кілька типів трансмісивних генів. Серед них - плазміди, що представляють собою двухцепочная кільцеву ДНК. Через них після тривалого використання будь-яких ліків настає звикання до цих ліків, і вони перестають діяти. Патогенні бактерії, проти яких діє наше ліки, зв'язуються з плазмідами, які надають цим бактеріям стійкість до ліків, і бактерії перестають його помічати.
Мігруючі генетичні елементи можуть викликати як структурні перебудови в хромосомах, так і мутації генів. Можливість використання таких елементів людиною привела до появи нової науки - генної інженерії, метою якої є створення нових форм організмів із заданими властивостями. При цьому конструюються нові, яких не існує в природі поєднання генів за допомогою генетичних і біохімічних методів. Для цього видозмінюється ДНК, яка кодується для виробництва білка з потрібними властивостями. На цьому базуються всі сучасні біотехнології.
онтогенетический рівень
Цей рівень виник в результаті формування живих організмів. Основною одиницею життя цього рівня виступає окрема особина, а елементарним явищем - онтогенез. Біологічна особина може бути як одноклітинним, так і багатоклітинних організмом, проте в будь-якому випадку вона являє собою цілісну, самовоспроизводящуюся систему.
Онтогенез - процес індивідуального розвитку організму від народження через послідовні морфологічні, фізіологічні та біохімічні зміни до смерті, процес реалізації спадкової інформації. В даний час не створено єдиної теорія онтогенезу, оскільки не встановлені причини і фактори, що визначають індивідуальний розвиток організму.
Клітинний рівень. Сьогодні наукою достовірно встановлено, що найменшою самостійною одиницею будови, функціонування і розвитку живого організму є клітина, яка представляє собою елементарну біологічну систему, здатну до самооновлення, самовідтворення і розвитку, т. Е. Наділена всіма ознаками живого організму. Клітинні структури лежать в основі будови будь-якого живого організму, яким би різноманітним і складним не представлялося його будова. Наука, що вивчає живу клітину, називається цитологією. Вона вивчає будову клітин, їх функціонування як елементарних живих систем, досліджує пристосування до умов середовища і ін. Також цитологія вивчає особливості спеціалізованих клітин, становлення їх особливих функцій і розвиток специфічних клітинних структур. Таким чином, сучасна цитологія може бути названа фізіологією клітини.
Відкриття існування клітин і їх дослідження відбулося в кінці XVII століття, коли був винайдений перший мікроскоп. Вперше клітка була описана англійським вченим Робертом Гуком ще в 1665 році, коли він розглядав шматочок пробки. Оскільки його мікроскоп був не дуже досконалим, то, що він побачив, було насправді стінками відмерлих клітин. Знадобилося майже двісті років, щоб біологи зрозуміли, що головну роль грають не стінки клітини, а її внутрішній зміст. Серед попередників клітинної теорії також слід назвати Антонії ван Левенгука (1632-1723), який довів, що тканини багатьох рослинних організмів побудовані з клітин.
Т. Шванном і М. Шлейденом в 1838 році була створена клітинна теорія, що стала найбільшою подією в біології XIX століття. Саме ця теорія дала вирішальні докази єдності всієї живої природи, послужила фундаментом для розвитку ембріології, гістології, фізіології, теорії еволюції, а також розуміння індивідуального розвитку організмів. Потужний поштовх цитологія отримала з моменту створення генетики та молекулярної біології. Після цього були відкриті нові компоненти клітини - мембрана, рибосоми, лізосоми та ін.
За сучасними уявленнями клітини можуть існувати як самостійні організми (наприклад, найпростіші), так і в складі багатоклітинних організмів, де є статеві клітини, що служать для розмноження, і соматичні клітини (клітини тіла). Соматичні клітини відрізняються за будовою і функціями - існують нервові, кісткові, м'язові, секреторні клітини. Розміри клітин можуть варіюватися від 0,1 мкм (деякі бактерії) до 155 мм (яйце страуса в шкаралупі). В живому організмі є мільярди різноманітних клітин (до 1015), форма яких може бути найхимернішої (павук, зірка, сніжинка та ін.).
Всі клітини складаються з трьох основних частин: плазматичноїмембрани, яка контролює перехід речовини з навколишнього середовища в клітку і назад; цитоплазми з різноманітною структурою і клітинного ядра, в якому міститься генетична інформація. Крім того, всі тварини і деякі рослинні клітини містять центріолі - циліндричні структури, що утворюють клітинні центри. У рослинних клітин також є клітинна стінка (оболонка) і пластиди - спеціалізовані структури клітин, часто містять пігмент, від якого залежить забарвлення клітини.
Клітини ростуть і розмножуються шляхом поділу на дві дочірні клітини. Існує два способи поділу клітин. Мітоз - це такий розподіл клітинного ядра, при якому утворюються два дочірніх ядра з набором хромосом, ідентичним набору батьківської клітини. При цьому дочірнім клітинам передається повний набір хромосом, що несуть генетичну інформацію. Після розбіжності дочірні нитки ДНК перетворюються в хромосоми, утворюючи характерні для даного організму структури. Цей спосіб розмноження характерний для всіх клітин, крім статевих.
Мейоз - це поділ клітинного ядра з утворенням чотирьох дочірніх ядер, кожне з яких містить удвічі менше хромосом, ніж вихідне ядро. Цей механізм клітинного ділення в природі зустрічається тільки при підготовці до статевого розмноження, при утворенні статевих клітин (гамет). При злитті гамет в процесі запліднення виходить знову диплоїдний набір хромосом. Цей спосіб розмноження характерний тільки для статевих клітин.
Багатоклітинні організми також розвиваються з однієї клітини - яйця, але в процесі його поділу клітини видозмінюються, що призводить до появи безлічі різних клітин - м'язових, нервових, кров'яних і т. Д. Різні клітини синтезують різні білки. Проте, в кожній клітині багатоклітинного організму є повна генетична інформація для побудови всіх білків, потрібних для цього організму.
Залежно від типу клітин все організми діляться на дві групи:
Прокаріоти - клітини, позбавлені ядра. У них молекули ДНК не оточені ядерноїмембраною і не організовані в хромосоми. До них відносяться бактерії.
Еукаріоти - клітки, що містять ядра. Крім того, в них є мітохондрії - органели, в яких відбувається процес окислення. До еукаріотів відносяться найпростіші, гриби, рослини і тварини, тому вони можуть бути одноклітинними і багатоклітинними.
Вивчаючи живу клітину, вчені звернули увагу на існування двох основних типів її харчування, що дозволило все організми розділити на два види:
Автотрофні організми - вони не потребують органічної їжі і можуть жити за рахунок асиміляції вуглекислоти (бактерії) або фотосинтезу (рослини), т. Е. Самі виробляють необхідні їм поживні речовини;
Гетеротрофні організми - це все організми, які не можуть обходитися без органічної їжі.
Багатоклітинні організми. Всі багатоклітинні організми діляться на три царства: гриби, рослини і тварини. Їх життєдіяльність, а також робота окремих частин багатоклітинних організмів вивчається фізіологією. Ця наука розглядає механізми дії різних функцій живого організму, їх зв'язок між собою, регуляцію і пристосування до зовнішнього середовища, походження і становлення в процесі еволюції і індивідуального розвитку особини. По суті справи, це і є процес онтогенезу - розвиток організму від народження до смерті, при якому відбувається зростання, переміщення окремих структур, диференціація і ускладнення організму. Цей процес описується на основі знаменитого биогенетического закону, сформульованого Ернстом Геккелем (1834-1919), автором терміну «онтогенез».
Біогенетичний закон стверджує, що онтогенез в короткій формі повторює філогенез, т. Е. Окремий організм у своєму індивідуальному розвитку в скороченій формі проходить всі стадії розвитку свого виду. Таким чином, онтогенез є реалізацією спадкової інформації, закодованої в зародковій клітці, а також перевірку узгодженості всіх систем організму під час його роботи і пристосування до навколишнього середовища.
Всі багатоклітинні організми складаються з органів і тканин.
Тканини - це група фізично об'єднаних клітин і міжклітинних речовин, подібних за будовою і функції. Їх вивчення є предметом гістології. Тканини можуть утворюватися як з однакових, так і з різних спеціалізованих клітин. Наприклад, у тварин з однакових клітин побудований плоский епітелій, а з різних клітин - м'язова, нервова, сполучна тканини.
Органи - це відносно великі функціональні частини організму, що виконують певну функцію, що складаються з клітин різних типів і керовані загальним механізмом організму. У свою чергу, органи входять до складу більших одиниць - систем організму. Серед них виділяють нервову, травну, серцево-судинну, дихальну та ін. Системи. Кожна з цих систем включає діючі органи і ієрархію керуючих механізмів.
Власне живий організм можна уявити як комплекс фізіологічних систем, що забезпечують його гомеостаз і адаптації. Він утворюється в результаті взаємодії генотипу (сукупності генів одного організму) з фенотипом (комплексом зовнішніх ознак організму, що сформувалися в ході його індивідуального розвитку). Таким чином, організм являє собою стабільну систему внутрішніх органів і тканин, що існують у зовнішньому середовищі. Однак, оскільки загальна теорія онтогенезу поки ще не створена, багато процесів, що відбуваються під час розвитку організму, ще не отримали свого повного пояснення.
9.1. структурабіологічногознанняБіологіяякнаука
В даний час найбільш динамічно розвивається наукою є біологія - наука про життя і живій природі. Основні завдання біології - дати наукове визначення життя, вказати на принципову відмінність живого від неживого, з'ясувати специфіку біологічної форми існування матерії. Розвиток біологічних знань призводить до поступової трансформації уявлень про сутність життя, єдності космічної та біологічної еволюції, Взаємодії біологічного і соціального в людині і т.п. Нові біологічні дані змінюють ту картину світу, яка протягом тривалого часу формувалася фізикою. Можна говорити про те, що сьогодні відкриття в біології визначають розвиток всього природознавства. Саме тому сучасна наукова картина світу неможлива без біологічних знань. Більш того, біологія стає тим підставою, на якому формуються нові світоглядні принципи, що визначають самосвідомість людини.
У сучасній науці біологіявизначається як сукупність наук про живу природу, різноманітті існували й існують живих організмів, їх будову і функції, походження, поширення і розвитку, зв'язках один з одним і неживою природою.
Відповідно до цього біологія вивчає як загальні, так і приватні закономірності живого в усіх його проявах (обмін речовин, відтворення, спадковість, мінливість, пристосовуваність і ін.).
Сучасна біологія - динамічний, мінливий на очах знання. Лавиноподібне накопичення нових експериментальних даних часом випереджає можливості їх теоретичної інтерпретації і пояснення. Стрімко зростає в біології число між-
дисциплінарних дослідженні на стику з іншими природничими науками. Тому в структурі біологічного знання сьогодні налічується понад 50 приватних наук: ботаніка, зоологія, генетика, молекулярна біологія, анатомія, морфологія, цитологія, біофізика, біохімія, палеонтологія, ембріологія, екологія і т.п. Дане розмаїття наукових дисциплін пояснюється, головним чином, складністю основного об'єкта біологічних досліджень - живої матерії.
Структуру біології як науки можна розглядати з точки зору об'єктів, властивостей, рівнів організації живого, основних етапів і біологічних парадигм.
По об'єктах дослідження біологію поділяють на вірусологію, бактеріологію, ботаніку, зоологію, антропологію.
За властивостями і проявам живого існує наступна класифікація біологічних дисциплін: ембріологія -наука, що вивчає зародковий (ембріональний) розвиток організмів; фізіологія -наука про функціонування організмів; морфологія -наука про будову живих організмів; молекулярна біологія -наука про спосіб життя спільнот рослинного і тваринного світу, їх взаємозв'язках з навколишнім середовищем; генетика -наука про спадковість і мінливість.
За рівнем організації живих організмів виділяють: анатомію- науку про макроскопічному будові тварин і людини; гістологію -науку про будову тканин; цитологію -науку про будову живих клітин.
У своєму розвитку біологія пройшла тривалий і важкий шлях, що включає в себе три найбільш великих етапу, принципово різняться між собою своєю головною ідеєю: 1) період систематики, 2) еволюційний період і 3) період біології мікросвіту. Зазначені періоди не мають між собою чітких часових меж, так само як і не мають різких переходів. Більш того, оскільки біологія ще не вийшла на рівень теоретичних узагальнень і не має власної наукової картини світу, вона існує в трьох «іпостасях» - натуралістичної, фізико-хімічної і еволюційної біології. Кожна з них з'явилася в відповідний період розвитку біологічної науки.
періодсистематики. натуралістичнабіологія
Як і будь-яка природна наука, біологія почала розвиватися як описова (феноменологічна) наука про різноманітних формах, видах івзаємозв'язках живого світу. Головним її завданням було вивчення природи в її природному стані. Для цього спостерігалися, описувалися і систематизувалися явища живої природи. Саме в цей період склався натуралістичний під-
хід до вивчення життя. Початком наукового підходу послужила постійно зростаюча сукупність практичних знань, одержуваних людиною в процесі його взаємодії з Навколишнього природним середовищем. Крім накопичуються знань необхідно було систематизувати і об'єкти, які становлять предмет практичних інтересів людини. Ідея систематики зародилася в античності. Першим систематизатор науки став Аристотель, який зібрав накопичений до його часу фактичний матеріал і зробив першу спробу класифікації тварин і рослин, засновану на понятті доцільності.
Систематизації біологічних знань він присвятив ряд робіт: «Історія тварин», «Про частинах тварин», «Про виникнення тварин». У них Аристотель розділив царство тварин на дві групи: що мають кров і позбавлених крові. Серед мають кров він виділяв: чотириногих живонароджених, птахів, чотириногих і безногих яйцеродящіх, безногих живонароджених і риб. Відповідно позбавлені крові ділилися на: м'яких (головоногих) мягкокожіх многоногих (раки), многоногих членистих і раковини безногих (молюски та морські їжаки). Крім того, Аристотель виділив ряд груп, перехідних між цими двома. Людині Аристотель відвів місце на вершині кров'яних тварин (антропоцентризм).
Завдяки роботам Аристотеля хаотичні знання про живу природу придбали щодо упорядкований характер, і ця обставина дає підстави вважати, що становлення біології як науки почалося в ті далекі часи. Ідеї \u200b\u200bАристотеля користувалися незаперечним авторитетом аж до Нового часу, лише тоді вони були піддані перевірці.
Підйом біологічних наук стався лише в XVI ст. і пов'язаний з епохою Великих географічних відкриттів, які збагатили науку безліччю нових фактів, зібраних на виявлених землях. Дані факти вимагали своєї систематизації і класифікації, яка і була запропонована в працях шведського вченого К. Ліннея. Він у своїй роботі «Система природи» зміг розробити струнку ієрархію всіх тварин і рослин.
В основі систематики Ліннея лежить вид, близькі види об'єднуються в роди, подібні пологи - в загони, а загони - в класи. Крім того, Лінней ввів точну термінологію для опису рослин і тварин. Йому також належить введення бінарної (подвійний) номенклатури: позначення кожного виду двома термінами - назвою роду і виду по латині. Лінней точно визначив співвідношення між різними систематичними групами - класами, загонами, пологами, видами та підвидами, чітко виділивши названі таксони і показавши їх ієрархічну підпорядкованість.
Крім систематизації та класифікації органічного світу в XVIII-XIX ст. в області традиційної біології з'явився ще
цілий ряд фундаментальних робіт, що вважаються класикою біологічної думки. Це 44-томну працю французького вченого Ж. Бюффона і його співавторів «Природна історія», знаменита «Життя тварин» А. Брема і роботи Е. Геккеля по морфології організмів.
Натуралістична біологія не втратила свого значення і в наші дні. Як і раніше триває вивчення флори і фауни нашої планети, відкриваються і описуються нові види. Незважаючи на те, що сучасна біологія змогла здійснити аналіз та класифікацію величезного числа тварин і рослинних організмів, вона, тим не менш, не змогла зробити повний опис всього природного світу. Вважається, що до сих пір описано тільки дві третини існуючих видів, тобто 1,2 млн. Тварин, 5000 тис. Рослин, сотні тисяч грибів, близько 3 тис. Бактерій і т.п. Все більш важливою стає екологія - наука, що досліджує взаємини організмів як між собою, так і з середовищем існування. Ця наука з'явилася в рамках традиційної біології, розглядає природу як єдине ціле і вимагає до неї дбайливого, гуманного ставлення.
періодмікросвіту. фізико- хімічнабіологія
При всіх перевагах натуралістичної біології з її цілісним підходом до вивчення природи біологія все ж потребувала розумінні механізмів, явищ і процесів, що відбуваються на різних рівнях життя і живих організмів. Тому від традиційної описової біології вчені були змушені перейти до вивчення анатомії і фізіології рослин і тварин, процесів життєдіяльності організмів в цілому і їх окремих органів, а потім - все далі вглиб живої природи, до вивчення життя на клітинному і молекулярно-генетичному рівнях.
Основи анатомічних і фізіологічних знань були закладені в античності і пов'язані з роботами Гіппократа, Герофила, Клавдія Галена і їх учнів. Однак справжній розвиток даного напрямку біології почалося лише в Новий час. У XVI-XVII ст. завдяки дослідженням Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмонта, М. Мальпігі, що проводилися з використанням мікроскопа, отримала розвиток анатомія рослин, були відкриті клітинний і тканинний рівні організації рослин. В біологію проникає експеримент - штучна гібридизація, що закладає віддалені передумови виникнення генетики.
Важливо відзначити, що біологія в Новий час все ширше використовувала методи інших природничих наук - більш розвинених фізики і хімії. Так в науку проникла думка, що всі явища життя підкоряються законам фізики і хімії і можуть бути пояснені з їх допомогою. Таким чином, біологія все ширше використовує ідеї ре-
дукціонізма. Перший час це був лише методологічний підхід, але з XIX в. можна було говорити про народження фізико-хімічної біології, яка вивчала життя на молекулярному і надмолекулярному рівнях. Велику роль в утвердженні нового способу біології відіграли вчені XIX ст., Які використали методи фізики і хімії в своїх дослідженнях: Л. Пастер, І.М. Сєченов, І.П. Павлов, І.І. Мечников і ін. Необхідно також назвати основоположників клітинної теорії М. Шлейдена і Т. Шванна, що поклали в 1838 р початок вивченню живої клітини. Їх теорія привела до появи цитології - науки про живу клітині.
Подальше вивчення клітинної будови викликало народження генетики - науки про спадковість і мінливість. У XX ст. з'явилася молекулярна генетика, що вивело біологію на новий рівень аналізу життя і ще тісніше зблизила її з фізикою і хімією. Вдалося зрозуміти генетичну роль нуклеїнових кислот, були відкриті молекулярні механізми генетичної репродукції і біосинтезу білка, а також молекулярно-генетичні механізми мінливості, вивчений обмін речовин на молекулярному рівні. При цьому відкриття у фізиці і хімії, безперервне вдосконалення фізичних і хімічних методів дослідження і їх застосування в біології створили можливість по-новому підійти до вивчення безлічі біологічних проблем.
З точки зору хімії живі організми являють собою відкриті системи, Постійно обмінюються речовиною і енергією з навколишнім середовищем. При цьому разом з їжею вони отримують величезну кількість органічних і мінеральних сполук, які беруть участь в біохімічних реакціях організму, а потім у вигляді продуктів розпаду виводяться в навколишнє середовище. Будівельним матеріалом для живої клітини є макромолекули - білки, жири, вуглеводи і нуклеїнові кислоти. Гормональна регуляція, яка відбувається в організмі, також являє собою систему хімічних реакцій.
Об'єднання біології з хімією дало початок новій науці - біохімії, яка вивчає структуру і властивості біомолекул одночасно з їх метаболізмом в живих тканинах і органах. Іншими словами, біохімія аналізує зміни біомолекул всередині живого організму. Біохімікам вдалося з'ясувати, як переноситься енергія в клітці, розшифрувати механізми метаболізму (обміну речовин), встановити роль мембран, рибосом та інших внутрішньоклітинних структур. Саме біохіміки розшифрували структуру і визначили функції білків і нуклеїнових кислот, заклавши тим самим основи молекулярної генетики. Рекомендаціями біохіміків сьогодні користується медицина, фармація, сільське господарство.
Оскільки сучасна хімія грунтується на фізиці, вчені прагнуть пояснити біологічні явища і процеси на основі
фізичнихзакономірностей. В результаті в 1950 р на стику біохімії, біології та фізики народилася нова наука - біофізика. Біофізики, розглядаючи будь-яке біологічне явище, розчленовують його на кілька більш елементарних, доступних для розуміння актів і досліджують їх фізичні властивості. Таким чином були пояснені механізми м'язового скорочення, проведення нервового імпульсу, таємниці фотосинтезу і ферментативного каталізу.
За допомогою біохімії і біофізики вчені змогли об'єднати знання про структуру та функції організму. Але ні цих наук, ні фізико-хімічної біології в цілому не вдається дати відповідь на основне питання біології - питання про походження і сутності життя.
еволюційнийперіод. еволюційнабіологія
Ідея розвитку живої природи проникла в біологію лише в XIX ст., Хоча передумови еволюційної біології сформувалися ще в античності. Так, в основі систематики живого у Аристотеля лежить ідея сходи істот: він розташував організми від простого до складного, людини при цьому він помістив на вершині піраміди тваринного світу. Від цієї ідеї потрібно було зробити лише крок до ідеї еволюції як розвитку тваринного світу шляхом постійного ускладнення.
Початок еволюційному періоду розвитку біології було покладено в працях французького біолога Ж. Б. Ламарка, який запропонував першу еволюційну теорію.Вона була викладена у його книзі «Філософія зоології», що вийшла в 1809 р Ламарк першим заговорив про зміну організмів під впливом навколишнього середовища і передачі придбаних ознак нащадкам. Однак Ламарк у своїй теорії спирався на ряд невірних вихідних положень, через які йому не вдалося вирішити питання про співвідношення внутрішніх і зовнішніх чинників еволюції.
Значний внесок у розвиток біології на даному етапі внесла теорія катастроф,автором якої став французький вчений Ж. Кюв'є. Він виходив з уявлень про те, що природні сили, що діють зараз і панували в минулому, якісно відрізняються один від одного. Тому в минулому періодично могли відбуватися глобальні природні катаклізми, переривають спокійний плин геологічних і біологічних процесів на Землі. В результаті цих глобальних катастроф майже повністю змінювався не тільки вигляд Землі, але і її органічний світ. Причини цих катастроф наука встановити не в змозі, але можна зробити висновок, що саме катастрофи привели до появи все більш складних органічних форм.
Справжня революція в біології пов'язана з появою в 1859 р теорії еволюції Ч. Дарвіна,викладеної ним у книзі «Походження видів шляхом природного відбору». Еволюційна теорія Дар-
вина побудована на трьох постулатах: мінливості, спадковості і природний добір. Мінливість, за Дарвіном, - це здатність організмів набувати нових властивостей і ознаки та змінювати їх з різних причин. Саме мінливість є першим і головним ланкою еволюції. Спадковість - це здатність живих організмів передавати свої властивості і ознаки наступним поколінням. Природний відбір є результатом боротьби за існування і означає виживання і успішне розмноження найбільш пристосованих організмів. Під дією природного відбору групи особин одного виду з покоління в покоління накопичують різні пристосувальні ознаки і в результаті набувають настільки суттєві відмінності, що перетворюються в нові види. На жаль, положення про спадковість і мінливість, також входили в цю теорію, були розроблені набагато гірше. Це дало підстави для серйозної критики дарвінівської теорії еволюції, яка розгорнулася в кінці XIX - початку XX ст.
Сучасна (синтетична) теорія еволюціїз'явилася лише до кінця 20-х рр. XX ст. Вона представляла собою синтез генетики і дарвінізму. З цього часу стало можливим говорити про еволюційної біології як про платформу, на якій відбувається синтез різнорідного біологічного знання. Сьогоднішня еволюційна біологія - це результат об'єднання двох потоків знання: самого еволюційного вчення і знань, отриманих іншими біологічними науками про процеси і механізмах еволюції. Протягом XX ст. зміст еволюційної біології постійно розширювалося. Воно доповнено даними генетики, молекулярної біології, цитології, палеонтології. Багато вчених вважають, що саме еволюційна біологія зможе стати фундаментом теоретичної біології, яка є основною метою біологів XXI ст.
9.2. структурнірівніорганізаціїжиття
Життя характеризується діалектичним єдністю протилежностей: вона одночасно є цілісною і дискретна. Органічний світ являє собою єдине ціле, так як становить систему взаємопов'язаних частин (існування одних організмів залежить від інших), і в той же час дискретний, оскільки складається з окремих одиниць - організмів, або особин. Кожен живий організм, в свою чергу, також дискретний, тому що складається з окремих органів, тканин, клітин, але разом з тим кожен з органів, володіючи певною автономністю, діє як частина цілого. Кожна клітина складається з органоїдів, але функціонує як єдине ціле. Спадкова інформація здійснюється генами, але
жоден з генів поза всієї сукупності не визначає розвиток ознаки і т.д.
З дискретністю життя пов'язані різні рівні організації органічного світу, які можна визначити як дискретні стану біологічних систем, якi характеризуються соподчі-нення, взаимосвязанностью і специфічними закономірностями. При цьому кожен новий рівень має особливі властивості і закономірностями колишнього, нижчого рівня, оскільки будь-який організм, з одного боку, складається з підлеглих йому елементів, а з іншого - сам є елементом, що входять до складу якоїсь макробіологічної системи.
На всіх рівнях життя виявляються такі її атрибути, як дискретність і цілісність, структурна організація, обмін речовиною, енергією та інформацією. Існування життя на більш високих рівнях організації готується і визначається структурою нижчого рівня; зокрема, характер клітинного рівня визначається молекулярним і субклітинних, організменний - клітинним, тканинним рівнями і т.д.
Структурні рівні організації життя надзвичайно різноманітні, але при цьому основними є молекулярний, клітинний, онтогенетический, популяційно-видовий, биоценотический, биогеоценотический і біосферний.
молекулярно- генетичнийрівень
Молекулярно-генетичний рівень життя - це рівень функціонування біополімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів) та інших важливих органічних сполук, що лежать в основі процесів життєдіяльності організмів. На цьому рівні елементарної структурною одиницею є ген, а носієм спадкової інформації у всіх живих організмів - молекула ДНК. Реалізація спадкової інформації здійснюється за участю молекул РНК. У зв'язку з тим, що з молекулярними структурами пов'язані процеси зберігання, зміни і реалізації спадкової інформації, даний рівень називають молекулярну-но-генетичним.
Найважливішими завданнями біології на цьому рівні є вивчення механізмів передачі генної інформації, спадковості і мінливості, дослідження еволюційних процесів, походження і сутності життя.
Всі живі організми мають в своєму складі прості неорганічні молекули: азот, воду, двоокис вуглецю. З них в ході хімічної еволюції з'явилися прості органічні сполуки, що стали, в свою чергу, будівельним матеріалом для більших молекул. Так з'явилися макромолекули - гігантські мо-
лекул-полімери, побудовані з безлічі мономерів. Існують три типи полімерів: полісахариди, білки і нуклеїнові кислоти. Мономерами для них відповідно служать моносахариди, амінокислоти і нуклеотиди.
білкиі нуклеїнові кислоти є «інформаційними» молекулами, так як в їх будові важливу роль відіграє послідовність мономерів, яка може бути досить різноманітною. Полісахариди (крохмаль, глікоген, целюлоза) грають роль джерела енергії та будівельного матеріалу для синтезу більших молекул.
Білки - це макромолекули, що представляють собою дуже довгі ланцюги з амінокислот - органічних (карбонових) кислот, що містять, як правило, одну або дві аміногрупи (-NH 2).
У розчинах амінокислоти здатні виявляти властивості як кислот, так і основ. Це робить їх своєрідним буфером на шляху небезпечних фізико-хімічних змін. У живих клітинах і тканинах зустрічається понад 170 амінокислот, проте до складу білків їх входить тільки 20. Саме послідовність амінокислот, з'єднаних один з одним пептидними связямі1, утворює первинну структуру білків. На частку білків припадає понад 50% загальної сухої маси клітин.
Більшість білків виконує функцію каталізаторів (ферментів). В їх просторову структуру є активні центри у вигляді заглиблень певної форми. У такі центри потрапляють молекули, перетворення яких каталізується даними білком. Крім того, білки відіграють роль переносників; наприклад, гемоглобін переносить кисень від легенів до тканин. М'язові скорочення і внутрішньоклітинні руху - результат взаємодії молекул білків, функція яких полягає в координації руху. Функцією білків-антитіл є захист організму від вірусів, бактерій і т.д. Активність нервової системи залежить від білків, за допомогою яких збирається і зберігається інформація з навколишнього середовища. Білки, звані гормонами, управляють ростом клітин і їх активністю.
Нуклеїнові кислоти.Процеси життєдіяльності живих організмів визначає взаємодію двох видів макромолекул - білків і ДНК. Генетична інформація організму зберігається в молекулах ДНК, яка є носієм спадкової інформації для наступного покоління і визначає біосинтез білків, контролюючих майже всі біологічні процеси. Тому нук-
1 Пептидний зв'язок - це хімічний зв'язок -CO-NH-.
леіновим кислотам належить таке ж важливе місце в організмі, як і білків.
Як білки, так і нуклеїнові кислоти володіють одним дуже важливою властивістю - молекулярної дісімметріі (асиметрією), або молекулярної хиральностью. Це властивість життя було відкрито в 40-50-і рр. XIX ст. Л. Пастером в ході дослідження будови кристалів речовин біологічного походження - солей виноградної кислоти. У своїх дослідах Пастер виявив, що не тільки кристали, але і їх водні розчини здатні відхиляти поляризований промінь світла, тобто є оптично активними. Пізніше вони отримали назву оптичних ізомерів.У розчинів речовин синтетичного походження ця властивість відсутня, будова їх молекул симетрично.
Сьогодні ідеї Пастера підтверджені, і вважається доведеним, що молекулярна хіральність (від грец. Cheir - рука) властива тільки живої матерії і є її невід'ємною властивістю. Речовина неживого походження симетрично в тому сенсі, що молекул, що поляризують світло вліво і вправо, в ньому завжди порівну. А в речовині біологічного походження завжди присутній відхилення від цього балансу. Білки побудовані з амінокислот, що поляризують світло тільки вліво (L -конфігурації). Нуклеїнові кислоти складаються з Сахаров, поляризують світло тільки вправо (D -конфігурації). Таким чином, хіральність полягає в асиметрії молекул, їх несумісності зі своїм дзеркальним відображенням, як у правої і лівої руки, що й дало сучасну назву цій властивості. Цікаво відзначити, що якби людина раптом перетворився в своє дзеркальне відображення, то з його організмом все було б нормально до тих пір, поки він не став би їсти їжу рослинного або тваринного походження, яку він просто не зміг би переварити.
нуклеїнові кислоти- це складні органічні сполуки, що представляють собою фосфорсодержащие біополімери (полі-нуклеотиди).
Існує два типи нуклеїнових кислот - дезоксірібонук-леіновая кислота (ДНК) і рибонуклеїнова кислота (РНК). Свою назву нуклеїнові кислоти (від лат. Nucleus - ядро) отримали через те, що вперше були виділені з ядер лейкоцитів ще в другій половині XIX ст. швейцарським біохіміком Ф. Мішер. Пізніше було виявлено, що нуклеїнові кислоти можуть перебувати не тільки в ядрі, але і в цитоплазмі і її органелах. Молекули ДНК разом з білками-гистонами утворюють речовину хромосом.
В середині XX ст. американський біохімік Дж. Уотсон і англійський біофізик Ф. Крик розкрили структуру молекули ДНК. Рентгеноструктурні дослідження показали, що ДНК складається з двох ланцюгів, закручених у подвійну спіраль. Роль кістяків ланцюгів грають сахарофосфатнимі угруповання, а перемичками служать підстави пуринів і піримідинів. Кожна перемичка утворена двома підставами, приєднаними до двох протилежних ланцюгах, причому, якщо у одного підстави одне кільце, то в іншого - два. Таким чином, утворюються комплементарні пари: А-Т і Г-Ц. Це означає, що послідовність підстав одного ланцюга однозначно визначає послідовність підстав в інший, комплементарної їй ланцюга молекули.
Ген - це ділянка молекули ДНК або РНК (у деяких вірусів). РНК містить 4-6 тисяч окремих нуклеотидів, ДНК - 10-25 тисяч. Якби можна було витягнути ДНК однієї людської клітини в безперервну нитку, то її довжина склала б 91 см.
І все ж народження молекулярної генетики сталося дещо раніше, коли американці Дж. Бідл і Е. Тейтум встановили прямий зв'язок між станом генів (ДНК) і синтезом ферментів (білків). Саме тоді з'явилося знамените висловлювання: «один ген - один білок». Пізніше було з'ясовано, що основною функцією генів є кодування синтезу білка. Після цього вчені сконцентрували свою увагу на питанні, як записана генетична програма і як вона реалізується в клітці. Для цього потрібно було з'ясувати, як лише чотири підстави можуть кодувати порядок розташування в молекулах білка цілих двадцяти амінокислот. Основний внесок у вирішення цієї проблеми зробив знаменитий фізик-теоретик Г. Гамов в середині 1950-х рр.
За його припущенням, для кодування однієї амінокислоти використовується поєднання з трьох нуклеотидів ДНК. Ця елементарна одиниця спадковості, що кодує одну амінокислоту, отримала назву кодону.У 1961 р гіпотеза Гамова була підтверджена дослідженнями Ф. Крика. Так був розшифрований молекулярний механізм зчитування генетичної інформації з молекули ДНК при синтезі білків.
У живій клітині є органели - рибосоми, які «читають» первинну структуру ДНК і синтезують білок відповідно до записаної в ДНК інформацією. Кожній трійці нуклеотидів ставиться у відповідність одна з 20 можливих амінокислот. Саме так первинна структура ДНК визначає послідовність амінокислот синтезованого білка, фіксує генетичний код організму (клітини).
Генетичний код всього живого, будь то рослина, тварина або бактерія, однаковий. Така особливість генетичного коду разом зі схожістю амінокислотного складу всіх білків свідчить
про біохімічному єдність життя, походження всіх живих істот на Землі від єдиного предка.
Також був розшифрований механізм відтворення ДНК. Він складається з трьох частин: реплікації, транскрипції і трансляції.
реплікація- це подвоєння молекул ДНК. Основою реплікації є унікальна властивість ДНК до самокопірованія, що дає можливість поділу клітини на дві ідентичні. При реплікації ДНК, що складається з двох скручених молекулярних ланцюжків, розкручується. Утворюються дві молекулярні нитки, кожна з яких служить матрицею для синтезу нової нитки, комплементарної до вихідної. Після цього клітина ділиться, і в кожній клітині одна нитка ДНК буде старої, а друга - нової. Порушення послідовності нуклеотидів у ланцюгу ДНК призводить до спадкових змін в організмі - мутацій.
транскрипція- це перенесення коду ДНК шляхом утворення од-ноцепочной молекули інформаційної РНК (і-РНК) на одній з ниток ДНК. і-РНК - це копія частини молекули ДНК, що складається з одного або групи розташованих поруч генів, що несуть інформацію про структуру білків.
трансляція -це синтез білка на основі генетичного коду і-РНК в особливих органелах клітини - рибосомах, куди транспортна РНК (т-РНК) доставляє амінокислоти.
В кінці 1950-х рр. російськими та французькими вченими одночасно була висунута гіпотеза про те, що відмінності в частоті і порядку розташування нуклеотидів в ДНК у різних організмів мають специфічний для видів характер. Дана гіпотеза дозволила вивчати на молекулярному рівні еволюцію живого і характер видоутворення.
Існує кілька механізмів мінливості на молекулярному рівні. Найважливішим із них є вже згадуваний механізм мутації генів - безпосереднє перетворення самих генов,знаходяться в хромосомі, під впливом зовнішніх факторів. Факторами, що викликають мутацію (мутагенами), є радіація, токсичні хімічні сполуки, а також віруси. При цьому механізмі мінливості порядок розташування генів в хромосомі не змінюється.
Ще один механізм мінливості - рекомбінація генів.Це створення нових комбінацій генів, розташованих в конкретній хромосомі. При цьому сама молекулярна основа гена не змінюється, а відбувається його переміщення з однієї ділянки хромосоми на інший або йде обмін генами між двома хромосомами. Рекомбінація генів має місце при статевому розмноженні у вищих організмів. При цьому не відбувається зміни загального обсягу генетичної інформації, він залишається незмінним. Цей механізм пояснює, чому діти лише частково схожі на своїх батьків -
вони успадковують ознаки від обох батьківських організмів, які поєднуються випадковим чином.
Інший механізм мінливості - некласична рекомбінація генов- був відкритий лише в 1950-і рр. При некласичної рекомбінації генів відбувається загальне збільшення обсягу генетичної інформації за рахунок включення в геном клітини нових генетичних елементів. Найчастіше нові елементи привносяться в клітку вірусами. Сьогодні виявлено кілька типів трансмісивних генів. Серед них - плазміди, що представляють собою двухцепочная кільцеву ДНК. Через них після тривалого використання будь-яких ліків настає звикання, після чого вони перестають надавати медикаментозне вплив. Патогенні бактерії, проти яких діє наше ліки, зв'язуються з плазми-дами, що і надає бактеріям стійкість до ліків, і вони перестають його помічати.
Мігруючі генетичні елементи можуть викликати як структурні перебудови в хромосомах, так і мутації генів. Можливість використання таких елементів людиною привела до появи нової науки - генної інженерії, метою якої є створення нових форм організмів із заданими властивостями. Таким чином, за допомогою генетичних і біохімічних методів конструюються нові, яких не існує в природі поєднання генів. Для цього видозмінюється ДНК, що кодує виробництво білка з потрібними властивостями. Даний механізм лежить в основі всіх сучасних біотехнологій.
За допомогою рекомбінантної ДНК можна синтезувати різноманітні гени і вводити їх в клони (колонії ідентичних організмів) для спрямованого синтезу білка. Так, в 1978-му був синтезований інсулін - білок для лікування цукрового діабету. Потрібний ген був введений в плазміду і впроваджений в звичайну бактерію.
Генетики працюють над створенням безпечних вакцин від вірусних інфекцій, так як традиційні вакцини являють собою ослаблений вірус, який повинен викликати вироблення антитіл, тому їх введення пов'язане з певним ризиком. Генна інженерія дозволяє отримати ДНК, що кодує поверхневий шар вірусу. В цьому випадку імунітет виробляється, але зараження організму виключено.
Сьогодні в генній інженерії розглядається питання про збільшення тривалості життя і можливості безсмертя шляхом зміни генетичної програми людини. Досягти цього можна, збільшивши захисні ферментні функції клітини, оберігаючи молекули ДНК від різних пошкоджень, пов'язаних як з порушенням обміну речовин, так і з впливом навколишнього середовища. Крім того, вченим вдалося відкрити пігмент старіння і створити спеціальний препарат, який звільняє клітини від нього. У дослідах з ми-
шами було отримано збільшення тривалості їх життя. Також вченим вдалося встановити, що в момент поділу клітини зменшуються теломери - особливі хромосомні структури, розташовані на кінцях клітинних хромосом. Справа в тому, що при реплікації ДНК спеціальну речовину - полімераза - йде по спіралі ДНК, знімаючи з неї копію. Але копіювати ДНК полімераза починає не з самого початку, а залишає кожен раз недокопі-ний кінчик. Тому з кожним наступним копіюванням спіраль ДНК коротшає за рахунок кінцевих ділянок, що не несуть ніякої інформації, або теломер. Як тільки теломери вичерпуються, при наступних копіювання починає скорочуватися частина ДНК, що несе генетичну інформацію. Це і є процес старіння клітин. У 1997 р в США і Канаді було проведено експеримент зі штучного подовження теломер. Для цього використовувався знову відкритий клітинний фермент - теломераза, що сприяє нарощуванню теломер. Отримані таким чином клітини знайшли здатність багаторазово ділитися, повністю зберігши свої нормальні функціональні властивості і не перетворюючись на ракові клітини.
Останнім часом стали широко відомі успіхи генних інженерів в області клонування - точного відтворення того чи іншого живого об'єкта в певній кількості копій з соматичних клітин. При цьому вирощена особина генетично відрізняється від батьківського організму.
Отримання клонів у організмів, що розмножуються за допомогою партеногенезу, без попереднього запліднення, не є чимось особливим і давно використовується генетиками. У вищих організмів також відомі випадки природного клонування - народження однояйцевих близнюків. Але штучне отримання клонів вищих організмів пов'язано з серйозними труднощами. Проте, в лютому 1997 року в лабораторії Яна Вільмута в Единбурзі був розроблений метод клонування ссавців, і з його допомогою була вирощена овечка Доллі. Для цього у вівці породи Шотландської Черноморд витягли яйцеклітини, помістили їх в штучне живильне середовище і видалили з них ядра. Потім взяли клітини молочної залози дорослої вагітної вівці породи Фінський дорсет, що несуть повний генетичний набір. Ці клітини через деякий час злили з без'ядерними яйцеклітинами і активували їх розвиток за допомогою електричного розряду. Потім розвивається зародок протягом шести днів ріс в штучному середовищі, після чого ембріони були трансплантовані в матку названої матері, де і розвивалися до народження. Але з 236 дослідів успішним виявився лише один - зросла овечка Доллі.
Після цього Вильмут заявив про принципову можливість клонування людини, що викликала самі жваві дискусії
не тільки в науковій літературі, а й в парламентах багатьох країн, оскільки така можливість пов'язана з дуже серйозними моральними, етичними і юридичними проблемами. Не випадково в деяких країнах вже прийняті закони, що забороняють клонування людини. Адже більшість клонованих ембріонів гине. Крім того, велика ймовірність народження виродків. Так що досліди з клонування не тільки аморальні, але і просто небезпечні з точки зору збереження чистоти виду Homo sapiens. To, що ризик надто великий, підтверджується інформацією, яка надійшла до початку 2002 р і що повідомляє про захворювання овечки Доллі артритом - хворобою, що не характерною для овець, після чого її незабаром довелося приспати.
Тому набагато більш перспективним напрямком досліджень є вивчення генома (сукупності генів) людини. У 1988 р з ініціативи Дж. Уотсона була створена міжнародна організація «Геном людини», яка об'єднала безліч вчених з різних країн світу і поставила завдання розшифровки всього генома людини. Це грандіозне завдання, так як число генів в організмі людини становить від 50 до 100 тисяч, а весь геном - це понад 3 млрд. Нуклеотидних пар.
Вважається, що перший етап цієї програми, пов'язаний з розшифровкою послідовності розташування нуклеотидних пар, буде завершено до кінця 2005 р Уже проведена робота по створенню «атласу» генів, набору їх карт. Перша така карта складена в 1992 р Д. Коеном і Ж. Досс. В остаточному варіанті вона бьиа представлена \u200b\u200bв 1996 р Ж. Вайсенбахом, який, вивчаючи під мікроскопом хромосому, за допомогою спеціальних маркерів відзначав ДНК різних її ділянок. Потім він клонував ці ділянки, вирощуючи їх на мікроорганізмах, і отримував фрагменти ДНК - послідовність нуклеотидів одного ланцюжка ДНК, з якої складалися хромосоми. Таким чином, Вайсенбах визначив локалізацію 223 генів і виявив близько 30 мутацій, що призводять до 200 захворювань, серед яких гіпертонія, діабет, глухота, сліпота, злоякісні пухлини.
Одним з результатів цієї програми, нехай і не закінченою, є можливість виявлення генетичних патологій на ранніх стадіях вагітності і створення генотерапіі - методу лікування спадкових захворювань за допомогою генів. Перед проведенням процедури генотерапіі з'ясовують, який ген виявився дефектним, отримують нормальний ген і вводять його в усі хворі клітини. При цьому дуже важливо відстежити, щоб введений ген працював під контролем механізмів клітини, інакше буде отримана ракова клітина. Уже є перші хворі, вилікувані таким чином. Правда, поки не ясно, наскільки радикально вони вилікувані і
чи не повернеться хвороба в майбутньому. Також поки не ясні і віддалені наслідки такого лікування.
Звичайно, використання біотехнології та генної інженерії має як позитивні, так і негативні сторони. Про це говорить опублікований в 1996 р Федерацією європейських мікробіологічних товариств меморандум. Пов'язано це з тим, що широка громадськість з підозрою і ворожістю ставиться до генних технологій. Страх викликають можливість створення генетичної бомби, здатної спотворити геном людини і привести до народження виродків; поява невідомих захворювань і виробництво біологічної зброї.
І, нарешті, останнім часом широко обговорюється проблема широко розповсюдженим трасгенних продуктів харчування, створених шляхом впровадження генів, які блокують розвиток вірусних або грибкових захворювань. Вже створені і продаються трансгенні помідори і кукурудза. На ринок поставляються хліб, сир і пиво, виготовлені за допомогою трансгенних мікробів. Такі продукти стійкі по відношенню до шкідливих бактерій, мають поліпшені якостями - смаком, поживну цінність, фортецею і т.д. Так, в Китаї вирощують стійкі до вірусів тютюн, томати і солодкий перець. Відомі трансгенні томати, стійкі до бактеріальної інфекції, картопля і кукурудза, стійкі до грибків. Але до сих пір невідомі віддалені наслідки використання таких продуктів, перш за все, механізм їх впливу на організм і геном людини.
Звичайно, за двадцять років використання біотехнологій не сталося нічого з того, чого побоюються люди. Всі нові мікроорганізми, створені вченими, менш хвороботворними, ніж їх вихідні форми. Жодного разу не сталося шкідливого чи небезпечного поширення рекомбінантних організмів. Проте, вчені ретельно стежать за тим, щоб трансгенні штами не містили генів, які після їх перенесення в інші бактерії можуть дати небезпечний ефект. Існує теоретична небезпека створення нових видів бактеріологічної зброї на основі генних технологій. Тому вчені повинні враховувати цей ризик і сприяти розвитку системи надійного міжнародного контролю, здатного зафіксувати і припинити подібні роботи.
З урахуванням можливої \u200b\u200bнебезпеки використання генних технологій розроблені документи, що регламентують їх застосування, правила безпеки проведення лабораторних досліджень і промислового освоєння, а також правила внесення генетично модифікованих організмів в навколишнє середовище.
Таким чином, сьогодні вважається, що при дотриманні відповідних запобіжних заходів користь, яку приносить генними технологіями, переважує ризик можливих негативних наслідків.
клітиннийрівень
На клітинному рівні організації основною структурною і функціональною одиницею всіх живих організмів є клітина. На клітинному рівні так само, як і на молекулярно-генетичному, відзначається однотипність всіх живих організмів. У всіх організмів тільки на клітинному рівні можливі біосинтез і реалізація спадкової інформації. Клітинний рівень у одноклітинних організмів збігається з організмовому. Історія життя на нашій планеті починалася з цього рівня організації.
Сьогодні наукою точно встановлено, що найменшою самостійною одиницею будови, функціонування і розвитку живого організму є клітина.
кліткаявляє собою елементарну біологічну систему, здатну до самооновлення, самовідтворення і розвитку, тобто наділена всіма ознаками живого організму.
Клітинні структури лежать в основі будови будь-якого живого організму, яким би різноманітним і складним не представлялося його будова. Наука, що вивчає живу клітину, називається цитологією. Вона вивчає будову клітин, їх функціонування як елементарних живих систем, досліджує функції окремих клітинних компонентів, процес відтворення клітин, пристосування їх до умов середовища і ін. Також цитологія вивчає особливості спеціалізованих клітин, становлення їх особливих функцій і розвиток специфічних клітинних структур. Таким чином, сучасна цитологія може бути названа фізіологією клітини. Успіхи сучасної цитології нерозривно пов'язані з досягненнями біохімії, біофізики, молекулярної біології і генетики.
В основі цитології лежить твердження, що всі живі організми (тварини, рослини, бактерії) складаються з клітин і продуктів їх життєдіяльності. Нові клітини утворюються шляхом ділення дотеперішніх клітин. Всі клітини подібні за хімічним складом і обміну речовин. Активність організму як цілого складається з активності і взаємодії окремих клітин.
Відкриття існування клітин відбулося в кінці XVII в., коли був винайдений мікроскоп. Вперше клітка була описана англійським ученим Р. Гуком в 1665 р, коли він розглядав шматочок пробки. Оскільки його мікроскоп був не дуже досконалим, то, що він побачив, було насправді стінками відмерлих клітин. Знадобилося майже двісті років, щоб біологи зрозуміли, що головну роль грають не стінки клітини, а її внутрішній вміст. Серед творців клітинної теорії слід також назвати А. Левенгука, який показав, що тканини багатьох рослинних
організмів побудовані з клітин. Він же описав еритроцити, одноклітинні організми і бактерії. Правда, Левенгук, як і інші дослідники XVII ст., Бачив в клітці лише оболонку, містила в собі порожнину.
Значний поступ у вивченні клітин відбулося на початку XIX ст., Коли на них стали дивитися як на індивідууми, що володіють життєвими властивостями. У 1830-і рр. було відкрито і описано клітинне ядро, що привернуло увагу вчених до вмісту клітини. Тоді ж вдалося побачити розподіл рослинних клітин. На основі цих досліджень і була створена клітинна теорія, що стала найбільшою подією в біології XIX в. Саме клітинна теорія дала вирішальні докази єдності всієї живої природи, послужила фундаментом для розвитку ембріології, гістології, фізіології, теорії еволюції, а також розуміння індивідуального розвитку організмів.
Потужний поштовх цитологія отримала зі створенням генетики та молекулярної біології. Після цього були відкриті нові компоненти, або органели, клітини - мембрана, рибосоми, лізосоми та ін.
За сучасними уявленнями, клітини можуть існувати як самостійні організми (наприклад, найпростіші), так і в складі багатоклітинних організмів, де є статеві клітини, що служать для розмноження, і соматичні клітини (клітини тіла). Соматичні клітини відрізняються за будовою і функціями - існують нервові, кісткові, м'язові, секреторні клітини. Розміри клітин можуть варіюватися від 0,1 мкм (деякі бактерії) до 155 мм (яйце страуса в шкаралупі). Живий організм утворений мільярдами різноманітних клітин (до 1015), форма яких може бути найхимернішої (павук, зірка, сніжинка та ін.).
Встановлено, що незважаючи на велику різноманітність клітин і виконуваних ними функцій, клітини всіх живих організмів подібні за хімічним складом: особливо велике в них вміст водню, кисню, вуглецю і азоту (ці хімічні елементи складають більше 98% всього вмісту клітини); 2% припадає на приблизно 50 інших хімічних елементів.
Клітини живих організмів містять неорганічні речовини - воду (в середньому до 80%) і мінеральні солі, а також органічні сполуки: 90% сухої маси клітини припадає на біополімери - білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і ліпіди. І, нарешті, науково доведено, що всі клітини складаються з трьох основних частин:
плазматичноїмембрани, яка контролює перехід речовин з навколишнього середовища в клітку і назад;
цитоплазми з різноманітною структурою;
клітинного ядра, в якому міститься генетична інформація.
Крім того, всі тварини і деякі рослинні клітини містять центріолі - циліндричні структури, що утворюють клітинні центри. У рослинних клітин також є клітинна стінка (оболонка) і пластиди - спеціалізовані структури клітин, часто містять пігмент, від якого залежить забарвлення клітини.
клітинна мембранаскладається з двох шарів молекул жіроподоб-них речовин, між якими знаходяться молекули білків. Мембрана підтримує нормальну концентрацію солей всередині клітини. При пошкодженні мембрани клітина гине.
цитоплазмаявляє собою водно-сольовий розчин з розчиненими і зваженими в ньому ферментами та іншими речовинами. У цитоплазмі розташовуються органели - маленькі органи, відокремлені від вмісту цитоплазми власними мембранами. Серед них - мітохондрії- мішковидні освіти з дихальними ферментами, в яких вивільняється енергія. Також в цитоплазмі розташовуються рибосоми,що складаються з білка і РНК, за допомогою яких здійснюється біосинтез білка в клітині. Ендоплазматіческая мережу- це загальна внутрішньоклітинна циркуляційна система, по каналах якої здійснюється транспорт речовин, а на мембранах каналів знаходяться ферменти, що забезпечують життєдіяльність клітини. Важливу роль в клітці грає клеточний центр,що складається з двох центріолей. З нього починається процес поділу клітини.
Найважливішою частиною всіх клітин (крім бактерій) є ядро,в якому знаходяться хромосоми - довгі ниткоподібні тільця, що складаються з ДНК і приєднаного до неї білка. Ядро зберігає і відтворює генетичну інформацію, а також регулює процеси обміну речовин в клітині.
Клітини розмножуються шляхом поділу вихідної клітини на дві дочірні. При цьому дочірнім клітинам передається повний набір хромосом, що несуть генетичну інформацію, тому перед поділом число хромосом подвоюється. Такий поділ клітин, що забезпечує однакове розподіл генетичного матеріалу між дочірніми клітинами, називається митозом.
Багатоклітинні організми також розвиваються з однієї клітини - яйця. Однак в процесі ембріогенезу клітини втрачають свою ідентичність. Це призводить до появи безлічі різних клітин - м'язових, нервових, кров'яних і т.д. Різні клітини синтезують різні білки. Проте, кожна клітина багатоклітинного організму несе в собі повний набір генетичної інформації для побудови всіх білків, необхідних для організму.
Залежно від типу клітин все організми діляться на д в е групи:
прокаріоти -клітини, позбавлені ядра. У них молекули ДНК не оточені ядерноїмембраною і не організовані в хромосоми. До прокаріотів відносяться бактерії;
еукаріоти- клітини, що містять ядра. Крім того, в них є мітохондрії - органели, в яких відбувається процес окислення. До еукаріотів відносяться найпростіші, гриби, рослини і тварини, тому вони можуть бути одноклітинними і багатоклітинними.
Таким чином, між прокариотами і еукаріотів є істотні відмінності в структурі та функціонуванні генетичного апарату, клітинних стінок і мембранних систем, синтезі білка та т.д. Передбачається, що першими організмами, що з'явилися на Землі, були прокаріоти. Так вважалося до 1960-х рр., Коли поглиблене вивчення клітини привело до відкриття архей, будова яких схоже як з прокариотами, так і з еукаріотамі. Питання про те, які одноклітинні організми є давнішими, про можливість існування якоїсь первоклеткі, з якої потім з'явилися всі три еволюційні лінії, до сих пір залишається відкритим.
Вивчаючи живу клітину, вчені звернули увагу на існування двох основних типів її харчування, що дозволило все організми за способом живлення розділити на д в а виду:
автотрофніорганізми - організми, що не потребують органічної їжі і можуть здійснювати життєдіяльність за рахунок асиміляції вуглекислоти (бактерії) або фотосинтезу (рослини), тобто автотрофи самі виробляють необхідні їм поживні речовини;
гетеротрофніорганізми - це все організми, які не можуть обходитися без органічної їжі.
Пізніше були уточнені такі важливі фактори, як здатність організмів синтезувати необхідні речовини (вітаміни, гормони і т.д.) і забезпечувати себе енергією, залежність від екологічного середовища та ін. Таким чином, складний і диференційований характер трофічних зв'язків свідчить про необхідність системного підходу до вивчення життя і на онтогенетичної рівні. Так була сформульована концепція функціональної системності П.К. Анохіна, відповідно до якої в одноклітинних і багатоклітинних організмах узгоджено функціонують різні компоненти систем. При цьому окремі компоненти підтримують і сприяють узгодженому функціонуванню інших, забезпечуючи тим самим єдність і цілісність в здійсненні процесів життєдіяльності всього організму. Функціональна системність також проявляється в тому, що процеси на нижчих рівнях організовуються функціональними зв'язками на вищих рівнях організації. Особливо помітно функціональна системність проявляється у багатоклітинних організмів.
онтогенетическийрівень. багатоклітинніорганізми
Основною одиницею життя на онтогенетичної рівні виступає окрема особина, а елементарним явищем є онтогенез. Біологічна особина може бути як одноклітинним, так і багатоклітинних організмом, проте в будь-якому випадку вона являє собою цілісну, самовоспроизводящуюся систему.
онтогенезомназивається процес індивідуального розвитку організму від народження через послідовні морфологічні, фізіологічні та біохімічні зміни до смерті, процес реалізації спадкової інформації.
Мінімальною живою системою, цеглинкою життя є клітина, вивченням якої займається цитологія. Функціонування і розвиток багатоклітинних живих організмів становить предмет фізіології. В даний час не створено єдиної теорія онтогенезу, оскільки не встановлені причини і фактори, що визначають індивідуальний розвиток організму.
Всі багатоклітинні організми діляться на три царства: гриби, рослини і тварини. Життєдіяльність багатоклітинних організмів, а також функціонування їх окремих частин вивчається фізіологією. Ця наука розглядає механізми здійснення різних функцій живим організмом, їх зв'язок між собою, регуляцію і пристосування організму до зовнішнього середовища, походження і становлення в процесі еволюції і індивідуального розвитку особини. По суті справи, це і є процес онтогенезу - розвиток організму від народження до смерті. При цьому відбувається зростання, переміщення окремих структур, диференціація і загальне ускладнення організму.
Процес онтогенезіса описується на основі знаменитого биогенетического закону, сформульованого Е. Геккелем, автором терміну «онтогенез». Біогенетичний закон стверджує, що онтогенез в короткій формі повторює філогенез, тобто окремий організм у своєму індивідуальному розвитку в скороченій формі проходить всі стадії розвитку свого виду. Таким чином, онтогенез є реалізацією спадкової інформації, закодованої в зародковій клітці, а також перевірку узгодженості всіх систем організму під час його роботи і пристосування до навколишнього середовища.
Всі багатоклітинні організми складаються з органів і тканин. Тканини - це група фізично об'єднаних клітин і міжклітинних речовин для виконання певних функцій. їх вивчення
є предметом гістології. Тканини можуть утворюватися як з однакових, так і з різних клітин. Наприклад, у тварин з однакових клітин побудований плоский епітелій, а з різних клітин - м'язова, нервова і сполучна тканини.
Органи - це відносно великі функціональні одиниці, які об'єднують різні тканини в ті чи інші фізіологічні комплекси. Внутрішні органи є тільки у тварин, у рослин вони відсутні. У свою чергу, органи входять до складу більших одиниць - систем організму. Серед них виділяють нервову, травну, серцево-судинну, дихальну та інші системи.
Власне живий організм являє собою особливу внутрішню середу, існуючу в зовнішньому середовищі. Він утворюється в результаті взаємодії генотипу (сукупності генів одного організму) з фенотипом (комплексом зовнішніх ознак організму, що сформувалися в ході його індивідуального розвитку). Таким чином, організм - це стабільна система внутрішніх органів і тканин, що існують у зовнішньому середовищі. Однак, оскільки загальна теорія онтогенезу поки ще не створена, багато процесів, що відбуваються під час розвитку організму, не отримали свого повного пояснення.
популяційно- видовийрівень
Популяційно-видовий рівень - це надорганізменних рівень життя, основною одиницею якого є популяція.
популяція- сукупність особин одного виду, відносно ізольованих від інших груп цього ж виду, що займають певну територію, яка б відтворювала себе протягом тривалого часу і володіє загальним генетичним фондом.
На відміну від популяції видомназивається сукупність особин, подібних за будовою і фізіологічним властивостям, що мають спільне походження, що можуть вільно схрещуватися і давати плідне потомство. Вид існує тільки через популяції, що представляють собою генетично відкриті системи. Вивченням популяцій займається популяційна біологія.
В умовах реальної природи особини не ізольовані один від одного, а об'єднані в живі системи більш високого рангу. Першою такою системою і є популяція.
Термін «популяція» був введений одним з основоположників генетики В. Іогансеном, який назвав так генетично неоднорідну сукупність організмів, відмінну від однорідної сукупності - чистої лінії. Пізніше цей термін набув більш
Цілісність популяцій, що виявляється у виникненні нових властивостей в порівнянні з онтогенетическим рівнем життя, забезпечується взаємодією особин в популяціях і відтворюється через обмін генетичною інформацією в процесі статевого розмноження. У кожній популяції є кількісні кордону. З одного боку, це мінімальна чисельність, що забезпечує самовідтворення популяції, а інший - максимум особин, які можуть прогодуватися в ареалі (місце проживання) даної популяції. Популяція як ціле характеризується такими параметрами, як хвилі життя - періодичні коливання чисельності, щільність населення, співвідношення вікових груп і статей, смертність і т.д.
Популяції - генетично відкриті системи, так як ізоляція популяцій не абсолютна і періодично буває можливим обмін генетичною інформацією. Саме популяції виступають в якості елементарних одиниць еволюції, зміни їх генофонду ведуть до появи нових видів.
для популяційного рівня організації життя характерна активна або пасивна рухливість всіх компонентів популяції. Це тягне постійне переміщення особин - членів популяції. Необхідно відзначити, що ніяка популяція не буває абсолютно однорідною, вона завжди складається з внутріпопуляціонних угруповань. Також слід пам'ятати про існування популяцій різних рангів - є постійні, відносно незалежні географічні популяції, і тимчасові (сезонні) місцеві популяції. При цьому висока чисельність і стійкість досягаються тільки в тих популяціях, які мають складну ієрархічну і просторову структуру, тобто є неоднорідними, гетерогенними, мають складні і довгі харчові ланцюги. Тому випадання хоча б однієї ланки з цієї структури веде до руйнування популяції або втрати нею стійкості.
біоценотіческійрівень
Популяції, що представляють перший надорганізменних рівень живого, що є елементарними одиницями еволюції, здатними до самостійного існування і трансформації, об'єднуються в сукупності наступного надорганізменного рівня - біоценози.
біоценоз- сукупність всіх організмів, що населяють ділянку середовища з однорідними умовами життя, наприклад ліс, луг, болото і т.д. Іншими словами, біоценоз - це сукупність популяцій, що проживають на певній території.
Зазвичай біоценози складаються з декількох популяцій і є складовим компонентом більш складної системи - біогеоценозу.
біогеоценотіческійрівень
біогеоценоз- складна динамічна система, що представляє собою сукупність біотичних і абіотичних елементів, пов'язаних між собою обміном речовини, енергії та інформації, в рамках якої може здійснюватися кругообіг речовин в природі.
Це означає, що біогеоценоз - стійка система, яка може існувати протягом тривалого часу. Рівновага в живій системі динамічно, тобто являє собою постійний рух навколо певної точки стійкості. Для стабільного функціонування живої системи необхідна наявність зворотних зв'язків між її керуючою і керованою підсистемами. Такий спосіб підтримки динамічної рівноваги називається гомеостазом.Порушення динамічної рівноваги між різними елементами біогеоценозу, викликане масовим розмноженням одних видів і скороченням або зникненням інших, що приводить до зміни якості навколишнього середовища, називають екологічною катастрофою.
Термін «біогеоценоз» був запропонований в 1940 р російським ботаніком В.Н. Сукачова, який позначив цим терміном сово-
купность однорідних природних явищ (атмосфери, гірських порід, водних ресурсів, рослинності, тваринного світу, грунту), поширених на деякому протязі земної поверхні, Що мають певний тип обміну речовиною і енергією між ними і оточуючими елементами, що представляють суперечливе єдність. Представляючи собою єдність живого і неживого, біогеоценоз перебуває в постійному русі і розвитку, тому змінюється з плином часу.
Біогеоценоз - це цілісна саморегулююча система, в якій виділяють кілька типів підсистем:
первинні системи - продуценти(Виробляють), безпосередньо переробні неживу матерію (водорості, рослини, мікроорганізми);
консументи першого порядку- вторинний рівень, на якому речовина і енергія виходять за рахунок використання продуцентів (травоїдні тварини);
консументи другого порядку(Хижаки і т.д.);
падальщики (сапрофітиі сапрофагі),харчуються мертвими тваринами;
редуценти -це група бактерій і грибів, що розкладають залишки органічної матерії.
В результаті життєдіяльності сапрофитов, сапрофагов і редуцентов в грунт повертаються мінеральні речовини, що збільшує її родючість і забезпечує живлення рослин. Тому падальщики і редуценти - дуже важлива частина харчових ланцюгів.
Через ці рівні в біогеоценозах проходить кругообіг речовин - життя бере участь у використанні, переробці і відновленні різних структур. Але кругообігу енергії при цьому не відбувається: з одного рівня на інший, більш високий, переходить близько 10% енергії, що надійшла на попередній рівень. Зворотний потік не перевищує 0,5%. Іншими словами, в біогеоценозах існує односпрямований енергетичний потік. Це робить його незамкненою системою, нерозривно пов'язаної з сусідніми биогеоценозами. Ця залежність проявляється в різних формах: газоподібної, рідкої, твердої, а також у формі міграції тварин.
Саморегуляція біогеоценозів протікає тим успішніше, ніж різноманітніше кількість складових його елементів. Від різноманіття компонентів залежить стійкість біогеоценозів. Випадання одного або декількох компонентів може призвести до незворотного порушення рівноваги біогеоценозу і загибелі його як цілісної системи. Так, тропічні біогеоценози в силу величезної кількості рослин і тварин, що входять в них, набагато стійкіше помірних або арктичних біогеоценозів, бідніших в плані видового різноманіття. З тієї ж причини озеро, являющее-
ся природним биогеоценозом з достатньою різноманітністю живих організмів, набагато стійкіше ставка, створеного людиною і не може існувати без постійного догляду за ним. Це викликано тим, що високоорганізовані організми для свого існування потребують більш простих організмах, з якими вони пов'язані трофічними ланцюгами. Тому фундаментом будь-якого біогеоценозу є найпростіші і нижчі організми, здебільшого автотрофні мікроорганізми і рослини. Вони безпосередньо пов'язані з абіотичними компонентами біогеоценозу - атмосферою, водою, грунтом, сонячною енергією, з використанням якої створюють органічну речовину. Вони ж складають життєве середовище для гетеротрофних організмів - тварин, грибів, вірусів, людини. Ці організми, в свою чергу, беруть участь в життєвих циклах рослин - запилюють, поширюють плоди і насіння. Так відбувається круговорот речовин в біогеоценозі, фундаментальну роль в якому грають рослини. Тому кордони біогеоценозів найчастіше збігаються з межами рослинних угруповань.
біогеоценози - структурні елементи наступного надорганізменного рівня життя. Вони складають біосферу і обумовлюють всі процеси, що протікають в ній.
біосфернийрівень
Біосферний рівень - найвищий рівень організації життя, що охоплює всі явища життя на нашій планеті.
біосфера- це жива речовина планети (сукупність всіх живих організмів планети, включаючи людину) і перетворена їм навколишнє середовище.
Биотический обмін речовин - це фактор, який об'єднує всі інші рівні організації життя в одну біосферу.
На біосферному рівні відбувається кругообіг речовин і перетворення енергії, пов'язані з життєдіяльністю всіх живих організмів, що мешкають на Землі. Таким чином, біосфера є єдиною екологічною системою. Вивчення функціонування цієї системи, її будови і функцій - найважливіше завдання біології. Займаються вивченням цих проблем екологія, біоценологія і біогеохімія.
В системі сучасного наукового світогляду поняття біосфери займає ключове місце. Сам термін «біосфера» з'явився в 1875 р Він був введений австрійським геологом і палеонтологом Е. Зюссом для позначення самостійної сфери нашої плані-
ти, в якій існує життя. Зюсс дав визначення біосфери як сукупності організмів, обмеженою в просторі і часі і що мешкає на поверхні Землі. Але він не зважав середовищі існування цих організмів.
Проте, Зюсс ні першовідкривачем, так як розробка вчення про біосферу має досить довгу передісторію. Одним з перших питання про вплив живих організмів на геологічні процеси розглянув Ж. Б. Ламарк в книзі "Гідрогеологія» (1802). Зокрема, Ламарк говорив про те, що всі речовини, що знаходяться на поверхні Землі і утворюють її кору, сформувалися завдяки діяльності живих організмів. Потім був грандіозний багатотомна праця А. Гумбольдта «Космос» (перша книга вийшла в 1845 р), в якому безліч фактів доводило взаємодія живих організмів з тими земними оболонками, в які вони проникають. Тому Гумбольдт розглядав як єдиної оболонки Землі, цілісної системи атмосферу, гідросферу і сушу з живуть в них живими організмами.
Але про геологічну роль біосфери, її залежності від планетарних чинників Землі, її будову і функції ще не було сказано нічого. Розробка вчення про біосферу нерозривно пов'язана з ім'ям видатного російського вченого В.І. Вернадського. Його концепція складалася поступово, від першої студентської роботи «Про зміну грунту степів гризунами» до «Живому речовини», «Біосфері» і «Біогеохімічні нарисів». Підсумки його роздумів були підведені в роботах «Хімічна будова біосфери Землі» і «Філософські думки натураліста», над якими він працював в останні десятиліття свого життя. Саме Вернадському вдалося довести зв'язок органічного світу нашої планети, що виступає у вигляді єдиного нероздільного цілого, з геологічними процесами на Землі, саме він відкрив і вивчив біогеохімічні функції живої речовини.
Ключовим поняттям в концепції Вернадського стало поняття живої речовини,під яким учений розумів сукупність всіх живих організмів нашої планети, включаючи людину. До складу живої речовини він включав також частина навколишнього його зовнішнього середовища, необхідної для підтримки нормальної життєдіяльності організмів; виділення і частини, що втрачаються організмами; померлі організми, а також органічні суміші, що знаходяться поза організмів. Найважливішою відмінністю живої речовини від неживої матерії Вернадський вважав молекулярну дісімметріі живого, відкриту в свій час Пастером (молекулярну хіральність згідно сучасної термінології). Використовуючи це поняття, Вернадському вдалося довести, що не тільки навколишнє середовище впливає на живі організми, а й життя здатна дієво формувати
середовище свого існування. Дійсно, на рівні окремого організму або біоценозу вплив життя на навколишнє середовище простежити дуже складно. Але, ввівши нове поняття, Вернадський вийшов на якісно новий рівень аналізу життя і живого - біосферний рівень.
Біосфера, відповідно до Вернадського, - це жива речовина планети (сукупність всіх живих організмів Землі) і перетворена їм середовище проживання (відстале речовина, абіотичні елементи), в яку входять гідросфера, нижня частина атмосфери і верхня частина земної кори. Таким чином, це не біологічне, геологічне або географічне поняття, а фундаментальне поняття біогеохімії - нової науки, створеної Вернадським для вивчення геохімічних процесів, що проходять в біосфері за участю живих організмів. У новій науці біосферою стали називати один з основних структурних компонентів організованості нашої планети і навколоземного космічного простору. Це сфера, в якій здійснюються біоенергетичні процеси і обмін речовин внаслідок діяльності життя.
Завдяки новому підходу Вернадський досліджував життя як могутню геологічну силу, дієво формує вигляд Землі. Жива речовина стало тією ланкою, яка поєднала історію хімічних елементів з еволюцією біосфери. Введення нового поняття також дозволяло поставити і вирішити питання про механізми геологічної активності живої речовини, джерелах енергії для цього.
Жива речовина і відсталу речовину постійно взаємодіють в біосфері Землі - в безперервному кругообігу хімічних елементів та енергії. Вернадський писав про біогенному струмі атомів, який викликається живим речовиною і виражається в постійних процесах дихання, харчування та розмноження. Наприклад, круговорот азоту пов'язаний з перетворенням в нітрати молекулярного азоту атмосфери. Нітрати засвоюються рослинами і в складі їх білків потрапляють до тварин. Після смерті рослин і тварин їх тіла виявляються в грунті, де гнильні бактерії розкладають органічні рештки до аміаку, який потім окислюється в азотну кислоту.
На Землі йде безперервне оновлення біомаси (за 7-8 років), при цьому в кругообіг залучаються абіотичні елементи біосфери. Наприклад, води Світового океану пройшли через біогенний цикл, пов'язаний з фотосинтезом, не менше 300 разів, вільний кисень атмосфери оновлювався не менше 1 млн. Раз.
Також Вернадський зазначав, що біогенна міграція хімічних елементів в біосфері прагне до свого максимального прояву, а еволюція видів веде до появи нових видів, що збільшують биогенную міграцію атомів.
Вернадський також вперше зазначив, що жива речовина прагне до максимального заселення місця існування, причому кількість живої речовини в біосфері залишається стабільним протягом цілих геологічних епох. Ця величина не змінювалася, принаймні, останні 60 млн. Років. Кількість видів при цьому також залишалося незмінним. Якщо в якомусь місці Землі кількість видів зменшується, то в іншому місці - додається. В наші дні зникнення величезного числа видів рослин і тварин пов'язано тому з поширенням людини і його нерозумною діяльністю по перетворенню природи. Населення Землі зростає за рахунок загибелі інших видів.
Завдяки біогенної міграції атомів жива речовина виконує свої геохімічні функції. Сучасна наука класифікує їх за п'ятьма категоріями:
концентрационная функція- виражається в накопиченні певних хімічних елементів як всередині, так і поза живих організмів завдяки їх діяльності. Результатом стала поява запасів корисних копалин (вапняки, нафта, газ, вугілля і т.д.);
транспортна функція- тісно пов'язана з концентраційного функцією, так як живі організми переносять потрібні їм хімічні елементи, які потім накопичуються в місцях їх проживання;
енергетична функція -забезпечує потоки енергії, що пронизують біосферу, що дає можливість здійснювати всі біогеохімічні функції живої речовини. Найважливішу роль в цьому процесі відіграють фотосинтезуючі рослини, що перетворюють сонячну енергію в біогеохімічну енергію живої речовини біосфери. Ця енергія витрачається на всі грандіозні перетворення вигляду нашої планети;
деструктивна функція -пов'язана з руйнуванням і переробкою органічних останків, в ході яких накопичені організмами речовини повертаються в природні цикли, йде кругообіг речовин в природі;
средообразующая функція- проявляється в перетворенні навколишнього середовища під дією живої речовини. Ми можемо сміливо стверджувати, що весь сучасний вигляд Землі - склад атмосфери, гідросфери, верхнього шару літосфери, велика частина корисних копалин, клімат - є результатом дії Життя. Так, зелені рослини забезпечують Землю киснем і накопичують енергію, мікроорганізми беруть участь в мінералізації органічних речовин, освіті низки гірських порід і почвообразовании.
При всій грандіозності завдань, які вирішують жива речовина і біосфера Землі, сама біосфера (у порівнянні з іншими геосферами) являє собою дуже тонку плівку. Сьогодні прийнято вважати, що в атмосфері мікробне життя має місце приблизно до висоти 20-22 км над земною поверхнею, а наявність життя в глибоких океанічних западинах опускає цю межу до 8-11 км нижче рівня моря. Поглиблення життя в земну кору багато менше, і мікроорганізми виявлені при глибинному бурінні і в пластових водах не глибше 2-3 км. До складу біосфери Вернадський включав:
жива речовина;
біогенна речовина - речовина, що створюється і що переробляє живими організмами (кам'яне вугілля, нафта, газ і т.д.);
відсталу речовину, утворене в процесах без участі живої речовини;
речовини, створювані живими організмами і відсталими процесами, і їх динамічну рівновагу;
речовини, що знаходяться в процесі радіоактивного розпаду;
розсіяні атоми, що виділяються з земного речовини під впливом космічних випромінювань;
речовина космічного походження, що включає окремі атоми і молекули, що проникають на Землю з космосу.
Зрозуміло, життя в біосфері поширена нерівномірно, існують так звані згущення і розрідження життя. Найбільш густо населені нижні шари атмосфери (50 м від земної поверхні), освітлені шари гідросфери і верхні шари літосфери (грунт). Також слід зазначити, що тропічні області заселені набагато щільніше, ніж пустелі або крижані поля Арктики і Антарктики. Глибше в земну кору, в океан, а також вище в атмосферу кількість живої речовини зменшується. Таким чином, ця найтонша плівка життя покриває абсолютно всю Землю, не залишаючи жодного місця на нашій планеті, де б не було життя. При цьому немає різкого розмежування між біосферою і оточуючими її земними оболонками.
Довгий час ідеї Вернадського замовчувалися, і знову до них повернулися лише в середині 1970-х рр. Багато в чому це відбулося завдяки працям російського біолога Г.А. Заварзіна, який довів, що основним чинником становлення і функціонування біосфери були і залишаються багатосторонні трофічні зв'язки. Вони встановилися не менше ніж 3,4-3,5 млрд. Років тому і з тих пір визначають характер і масштаби кругообігу елементів в оболонках Землі.
На початку 1980-х рр. англійським хіміком Дж. Лавлоком і американським мікробіологом Л. Маргуліс була запропонована дуже цікава концепція Геї-Землі. Відповідно до неї біосфера представ
ляє собою єдиний суперорганізм з розвиненим гомеостазом, що робить його відносно незалежним від флуктуації зовнішніх факторів. Але якщо саморегулююча система Геї-Землі потрапляє в стан стресу, близьке до кордонів саморегуляції, навіть маленьке потрясіння може штовхнути її до переходу в новий стан або навіть до повного знищення системи. В історії нашої планети вже не раз траплялися такі глобальні катастрофи. Найвідомішою з них є зникнення динозаврів близько 60 млн. Років тому. Зараз Земля знову переживає глибоку кризу, тому так важливо продумати стратегію подальшого розвитку людської цивілізації.
літературадлясамостійноговивчення
Афанасьєв В.Г.Світ живого: системність, еволюція та управління. М., 1986.
Барг О.А.Живе в єдиному світовому процесі. Перм, 1993.
Борзенко В.Г., Северцов А.В.Теоретична біологія: роздуми про предмет. М., 1980.
Вернадський В. І.Біосфера і ноосфера // Жива речовина і біосфера. М., 1994.
Вернадський В.І.Хімічна будова біосфери Землі і її оточення. М., 1987.
Дубінін Н.П.Нариси про генетику. М., 1985.
Кемп П., Армс К.Введення в біологію. М., 1988.
Крістін де Дюв.Подорож у світ живої клітини. М., 1987.
Югай Г.А.Загальна теорія життя. М., 1985.
