Био. БиоЭкзЛ. 1. Развитие представлений о сущности жизни. Определение жизни с позиций системного подхода
1. Развитие представлений о сущности жизни. Определение жизни с позиций системного подхода.
Накопленные знания в области биологии и химии во второй половине ХIХ века позволили сделать вывод, что основным субстратом жизни является белок. Ф. Энгельс определил жизнь как «способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен с окружающей средой. У неорганических тел также может происходить обмен веществ, но разница заключается в том, что обмен неорганических тел разрушает их, а обмен органических тел является необходимым условием их существования». В связи с открытием в 1869 году Мишером нуклеиновых кислот, был пересмотрен и субстрат жизни. Стало ясно, что под субстратом следует понимать комплекс биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.
Все процессы характеризующие жизнь связаны с комплексными свойствами этих соединений. Главной особенностью субстрата жизни является его упорядоченность на молекулярном уровне. Эта упорядоченность приводит, в сою очередь, к формированию надмолекулярных структур. Описанная упорядоченность комплекса белка и нуклеиновых кислот в пространстве влечет за собой упорядоченность во времени, что, в конечном итоге, обеспечивает строгую последовательность жизненно важных процессов.
Наиболее точным и современным представляется определение жизни, данное академиком М.В. Волькенштейном: «Живые тела существующие на Земле это есть открытые, саморегулирующиеся, самообновляющиеся, самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот»
Современная трактовка. С позиции системного подхода жизнь характеризуется как макромолекулярная открытая система, которой свойственны:
· способность к самовоспроизведению
· тонко регулируемый поток энергии
////
2. Особенности многоклеточной организации биосистем. Иерархические уровни жизни (микросистемы, мезосистемы, макросистемы). Проявления главных свойств жизни на различных уровнях ее организации.
Уровни организации живой материи — иерархически соподчиненные уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения.
Чаще всего выделяют шесть основных структурных уровней жизни: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.
Можно выделить три основные ступени живого: микросистемы, мезосистемы и макросистемы. Микросистемы включают в себя молекулярный (молекулярно-генетический) и субклеточный уровни. Мезосистемы включают в себя клеточный, тканевый, органный, системный, организменный или онтогенетический, уровни. Макросистемы (надорганизменная ступень) включают в себя популяционно-видовой, биоценотический и глобальный уровни.
Молекулярный уровень представлен разнообразными молекулами.Основными процессами на данном уровне являются объединение молекул в особые комплексы, осуществление, кодирование и передача генетической информации.
O, C, H, N, P, S — составляют основную массу органических веществ клетки — белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот.
На долю всех макроэлементов приходится примерно 99,9 % массы тела человека.
Металлы жизни включают в себя : калий, магний, железо, цинк, медь, кальций, марганец, натрий, кобальт, молибден. Вода и минеральные соли принимают участие в различных биохимических процессах и имеют важное значение как для функционирования отдельной клетки, так и организма в целом.
Различные виды рибонуклеиновых кислот (и-РНК, т-РНК, р-РНК) обеспечивают перемещение информации в клетке, транспорт аминокислот, функционирование рибосом. Для многих вирусов РНК является носителем генетической информации.
8.Клетка как открытая биологическая система. Строение и функции биологических мембран.
Цитоплазма – это внутренняя полужидкая среда клетки. Состоит из гиалоплазмы, включений и органоидов. В цитоплазме выделяют экзоплазму (кортикальный слой, лежит непосредственно под мембраной, не содержит органоидов) и эндоплазму (внутренняя часть цитоплазмы). Гиалоплазма (цитозоль,матрикс) – это основное вещество цитоплазмы, коллоидный раствор крупных органических молекул. Обеспечивает взаимосвязь всех компонентов клетки. В ней происходят основные процессы обмена веществ, например, гликолиз. Совершает круговое движение (за счет цитоскелета).
Органоиды бывают мембранные и немембранные. Мембранные органоиды бывают одномембранные (ЭПС, АГ, лизосомы, вакуоли) и двухмембранные (пластиды, митохондрии).К немембранным органоидам относятся рибосомы и клеточный центр.
Органоиды бывают мембранные и немембранные.
Мембранные органоиды бывают одномембранные (ЭПС, АГ, лизосомы, вакуоли) и двухмембранные (пластиды, митохондрии).
Имеет пористую двухмембранную структуру.
1. Разграничивает ядро от остальных органоидов и цитоплаз мы.
2. Обеспечивает взаимодействие ядра с цитоплазмой.
Плотные продолговатые или нитевидные образования, которые можно рассмотреть только при делении клетки. Содержат ДНК – носитель наследственной информации, которая передается от поколения к поколению.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС)— одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС. два вида ЭПС:
1) шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы, и
2) гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут.
2) разделение цитоплазмы клетки на компартменты ( «отсеки»),
3) синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС),
4) синтез белка (шероховатая ЭПС),
5) место образования аппарата Гольджи.
Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид. Представляет собой стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями.
Функции аппарата Гольджи:
1) накопление белков, липидов, углеводов,
2) модификация поступивших органических веществ,
3) «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов,
4) секреция белков, липидов, углеводов,
5) синтез углеводов и липидов,
6) место образования лизосом. Секреторная функция является важнейшей, поэтому аппарат Гольджи хорошо развит в секреторных клетках.
Лизосомы — одномембранные органоиды. Представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор гидролитических ферментов.
1) внутриклеточное переваривание органических веществ,
2) уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур,
3) участие в процессах реорганизации клеток.
Вакуоли — одномембранные органоиды, представляют собой «емкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ. В образовании вакуолей принимают участие ЭПС и аппарат Гольджи.
1) накопление и хранение воды,
2) регуляция водно-солевого обмена,
3) поддержание тургорного давления,
4) накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ,
5) окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и распространителей семян,
2) кислородное расщепление органических веществ.
Рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой.Химический состав рибосом — белки и рРНК.
Функция рибосом: сборка полипептидной цепочки (синтез белка).
Цитоскелет образован микротрубочками и микрофиламентами.
Микротрубочки — цилиндрические неразветвленные структуры. Основной химический компонент — белок тубулин.
6. В цитоплазме многих прокариотических клеток имеются газовые вакуоли.
7. В прокариотических клетках отсутствует клеточный центр.
8. Прокариоты размножаются простым делением клетки, у эукариот имеет место половой процесс с образованием гамет
9. У прокариотических клеток отсутствует амебоидное движение и внутриклеточные перемещения цитоплазмы.
3. Развитие представлений о сущности жизни. Определение жизни с позиций системного подхода. Свойства Живого.
По мере накопления конкретных знаний наряду с представлением о разнообразии организмов возникла идея о единстве всего живого. Особенно велико значение этой идеи для медицины, так как это указывает на универсальность биологических закономерностей для всего органического мира, включая человека. В известном смысле история современной биологии как науки о жизни представляет собой цепь крупных открытий и обобщений, подтверждающих справедливость этой идеи и раскрывающих ее содержание.
Открытия в биологии конца ХХ века сравнимы с открытиями космоса.
1838 – Т.Шванн, М.Шлейден – клеточная теория.
1953 – Д.Уотсон, Ф.Крик – двойная спираль ДНК.
1965 – Ниренберг – генетический код.
1957 – Д.Кендрью, М.Перути – пространственная структура белка – миоглобина.
1958 – Ф.Санжер – последовательность аминокислот инсулина.
1961 – Ф.Жакоб, Ж.Моно – схема регуляции экспрессии генов у прокариот.
1970 – Х.Темин, Д.Балтимор – обратная транскрипция.
1980 – А.Каледин – способ выделения термостабильной ДНК-полимеразы из бактерий.
1983 – Кэрри Мюллис – полимеризация цепной реакции (ПЦР).
1998 – секвенирование генома многоклеточной нематоды.
Достижения в биологии за последние 10-15 лет:
клонированы гены более 60 болезней
открыты болезни экспансии (распространения числа трехнуклеотидных повторов и подтвержден феномен антиципации (синдром умственной отсталости с ломкой Х хромосомы, хорея Гентингтона и др.))
осуществлены первые попытки генотерапии человека
разработаны модели трансгенеза на мышах
отрыты митохондриальные болезни
осуществление программы «геном человека»
применение анализа ДНК в криминалистике: установление личности, отцовства
выделены гены – супрессоры опухолей
открыты микроделеционные синдромы
разработаны новые методы пренатального скрининга и диагностики
осуществление поиска новых генов сложно наследуемых болезней человека
количество установленных генетических маркеров составляет десятки тысяч.
Жизнь по своей природе материальна, но не любая материя является живой.
Жизнь – особая форма материи. Живым организмам присущи специфические функции, свойства и закономерности. Они находили и находят отображение в формулировках жизни(300 формулировок). Ни одна из них не удовлетворяет принципам формулировок.
Свойства живой материи
-репродукция (самовоспроизведение, размножение)
-постоянная связь с внешней средой
Жизнь есть свойство материи, приводящее к сопряженной циркуляции биоэлементов в водной среде, движимая, в конечном счете, энергией солнечного излучения по пути увеличения сложности.
Любое утверждение можно проверить. Экологическая, эволюционная формулировка основана на сумме всевозможных действий, производимых продуцентами, консументами и редуцентами. Все живые организмы зависят от окружающей среды. Через каждый организм идут потоки веществ и энергии. С помощью обмена веществ происходит поддержание упорядоченности и сохранение постоянства состава и воспроизведения любой структуры. В течение жизни происходит физиологическая регенерация (самовозобновляемость клеток). Обмен веществ с точки зрения химии – совокупность большого количества сравнительно простых химических реакций: окисление, восстановление, ацетилирование и др. каждая реакция обмена может быть воспроизведена в лаборатории. В живых системах многие индивидуальные реакции, составляющие обмен веществ, строго согласованы во времени и месте. Они направлены на сохранение и воспроизведение всей живой системы в целом. Обмен веществ направлен на поддержание существования организма в определенных условиях внешней среды.
Развитие представлений о сущности жизни
Т. Э._Лекция №9_Представление о жизни
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СУЩНОСТИ ЖИЗНИ
Первая концепция, которая попыталась определить сущность жизни и черты живого, возникла в глубокой древности. Её основоположник – Аристов до н. э.).
I. ВИТАЛИСТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Витализм (от лат. vitalis – жизненный, живой, животворящий) – идеалистическое учение о сущности жизни, объясняющее специфику живых организмов присутствием в них особой нематериальной непознаваемой жизненной силы. Он абсолютизирует качественное своеобразие живого.
Берет свое начало от первобытного анимизма – представления об одушевленности всех тел природы (обычай – пускать кошку в новый дом – деревья имеют душу, а если их срубили, то они свой гнев могут послать на человека, а кошка принимает все на себя).
4 – к живым телам не применимы законы сохранения и превращения энергии (это было впоследствии опровергнуто, благодаря достижениям науки).
В 17-18 веках витализм получил широкое распространение благодаря врачу Г. Шталю (1660-1734), который утверждал, что душа препятствует распадению организма на легко разлагаемые вещества из которых он состоит; когда душа покидает тело, находящиеся в нем вещества начинают разлагаться. Душа управляет всеми жизненными процессами, пока она в организме – он живет.
На основе витализма появляются другие учения:
— в 17 веке появилось дуалистическое учение – между телами неживой природы и живыми существами существует резкая грань;
— учение об «археях», которые управляют и регулируют деятельность тела (археи – духовные начала).
Сторонники этих учений для объяснения особенности живого привлекают нематериальные факторы; истолковывают природу человеческого сознания также идеалистически.
II. МЕТАФИЗИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Получает широкое распространение с 1819 г. – объясняет сущность жизни с материалистических позиций (противостоит витализму) – живые тела отличаются от неживых только степенью сложности, а качественных отличий нет.
1 – все процессы жизнедеятельности – это только химические и физические процессы, но достаточно сложные;
2 – не признается специфика, особенности живого;
3 – накоплены факты, опровергающие основные положения витализма:
Ф. Велер (1829 г.) в лаборатории получил мочевину, нагревая аммонийную соль циановой кислоты) → из неорганических веществ вне живого организма можно получить органические вещества; раскрыл сущность фотосинтеза → закон сохранения и превращения энергии характерен и для живой природы.
III. ДИАЛЕКТИКО-МАТЕРИАЛИСТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ
Диалектико-материалистическое толкование жизни впервые сделано Ф. Энгельсом в работе «Анти-Дюринг» и «Диалектика природы».
Классическое определение жизни по Энгельсу – жизнь – есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей из внешней природой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. При этом Энгельс имел в виду не собственно белки, а структуры, содержащие белки.
1 – жизнь материальна по своей природе и не нуждается для объяснения в нематериальных началах;
2 – это особая форма движения материи, закономерно возникающая и разрушающаяся;
3 – обмен веществ – это основной процесс, характеризующий жизнь, из него вытекают все основные, характерные черты живого:
Однако обмен веществ происходит и в неживой природе: химические превращения (горение свечи → образование углекислого газа и воды), он происходит повсюду, но он качественно отличается от обмена веществ в живой природе: неживые тела при превращениях, обмене веществ перестают быть тем, чем были, а живые существа – существуют до тех пор, пока происходит обмен веществ → если он прекратиться – прекратиться жизнь.
IV. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СУЩНОСТИ ЖИЗНИ
До сих пор нет определения «жизнь», «живое», которое признавалось бы всеми и всех удовлетворяло.
Можно выделить две основные концепции, к которым сводятся многочисленные определения:
1) жизнь определяется субстратом, носителем её свойств (например, белком), однако сам по себе субстрат вне организма никаких признаков жизни не проявляет; он может быть синтезирован химическим путем;
2) жизнь определяется как совокупность специфических физико-химических процессов, но только обмен веществ не может служить единственным критерием жизни.
Если придерживаться только какой-то из этих концепций, то сущность живого не будет полностью раскрыта. Современное определение не сводит жизнь только к физико-химическим закономерностям.
Жизнь – это форма движения материи более высокого уровня. В самом общем смысле жизнь можно определить как активное поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, идущее с затратой энергии, полученной извне.
Таким образом, живым организмам необходима постоянная связь с окружающей средой. Эта связь осуществляется путем обмена веществ и энергии.
⌦ Обмен веществ – совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции, которые сопровождаются перераспределением энергии – является условием для поддержания и воспроизведения необходимой для жизни структуры.
Способы получения энергии живыми организмами извне:
В ходе метаболических процессов значительная часть энергии теряется в виде тепла, а усваивается лишь около 10%.
⌦ Специфичность структуры – для каждого вида, существа структура специфична, она обуславливается и поддерживается определенной информацией, которая содержится в генетических программах. Эти программы способны размножаться матричным путем. Матричный синтез определяет сущность жизни как процесса самовоспроизведения.
Генетическая информация варьирует вследствие наследственной изменчивости → это создает предпосылки для действия естественного отбора и как следствие, для эволюции.
⇗ Таким образом, следствием матричного синтеза и обмена веществ, обеспечивающим этот синтез, является биологическая эволюция. Она не свойственна неживой природе → жизнь – это форма движения материи более высокого уровня.
ОСНОВНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ
Все многообразие живых организмов изучается в соответствии с определенными уровнями (уровни изучения жизни):
- молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевый, организменный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический, биосферный.
Уровень организации жизни, а не её изучения, определяется следующими критериями:
2 – элементарным явлением – что происходит, как изменяется эта единица.
Выделяют основные уровни организации жизни:
молекулярно-генетический; онтогенетический; популяционно-видовой; биогеоценотический.
На каждом уровне проявления жизни приобретают новые свойства и особенности, отличные от свойств на предыдущих уровнях. Однако, специфические для каждого уровня процессы, глубоко связаны между собой и являются взаимоопределяющими. Это и обеспечивает целостную и многогранную картину жизни. На всех уровнях организации жизнь охвачена эволюционным процессом.
1. Молекулярно-генетический уровень:
- элементарная единица – ген; элементарное явление –
— передача и реализация информации управляющим системам – белкам (синтез 1-го белка из тысяч аминокислот происходит за 5-6 минут);
- точное знание этого уровня является необходимой предпосылкой для ясного понимания жизненных явлений, происходящих на остальных уровнях; основная структура – ДНК, в настоящее время успешно расшифрован ее код, конвариантная редупликация, основанная на матричном синтезе, сохраняет не только генетическую норму, но и отклонения от неё – мутации – основу процесса эволюции; матричный синтез; целостность за счет репарирующих систем и контроля процессов взаимодействия генов.
2. Онтогенетический уровень:
- элементарная единица – особь, индивид; элементарное явление – онтогенез; это следующая, более комплексная ступень организации живого; особь выступает как единое целое (жизнь представлена в виде дискретных индивидуумов), если разделить особь на части, то теряется её индивидуальность; не всегда легко можно определить границы индивидуума, особи → понятию «особь» придают операционное значение и указывают к какой среде она относится (у обелии – половые особи – гонангии, питающие – гидранты); затруднен анализ колониальных организмов: коралловых полипов, обелия, сифонофоры. Каждая составляющая существует в виде отдельного организма, но зависящего от других частей. Но между компонентами существует разделение функций; с т. з. генетики – это одно и то же существо, т. к. у них один генотип; с т. з. эволюции особь – это морфофизиологическая единица, происходящая от одной зиготы, гаметы, споры, почки, которая индивидуально подлежит действию элементарных эволюционных факторов; понятие «особь» в полной мере применительно лишь к неколониальным организмам, для колониальных, симбиотических и вегетативно размножающихся форм – понятие «особь» относительно; на этом уровне единицей является особь с момента её возникновения до смерти; этот период – онтогенез – индивидуальное развитие особи; онтогенез характеризуется:
1 – реализацией наследственной информации в определенных условиях среды;
2 – проверкой жизнеспособности данного генотипа в процессе естественного отбора;
3 – отличием родственных организмов (родителей и потомков, потомков между собой) в силу отличия генотипов;
4 – дифференцировкой, которая лежит в основе возникновения всех эволюционных новообразований;
- целостность организма поддерживается коррелятивной зависимостью признаков.
— в широком смысле слова – любая биологически целостная система, состоящая из взаимозависящих и соподчиненных элементов, которые функционируют как единое целое – это и колония, и семья, популяция (общественные насекомые);
— в узком смысле слова – это особь, индивид, живое существо.
3. Популяционно-видовой уровень:
- элементарная единица – популяция; элементарное явление – изменение генетического состава популяции; целостность имеет принципиально иной характер, т. к. особую роль приобретают отношения между особями одного вида; вид состоит из популяций, популяции из особей; популяция как дискретная единица способна к:
1 – длительному существованию;
2 – самостоятельному эволюционному развитию;
- в популяции осуществляется взаимодействие особей, которое поддерживается обменом генетической информацией в процессе полового размножения; отдельная особь зависит от процессов, протекающих в популяциях; изменение генетического состава популяции определяется действием факторов эволюции, степенью их «давления».
4. Биогеоценотический уровень (биогеоценоз – это устойчивая саморегулирующаяся система, в которой органические компоненты неразрывно связаны с органическими):
- элементарная единица – биогеоценоз; элементарное явление – элементарное эволюционное преобразование в популяциях; основные его свойства – автономность и саморегуляция; это незамкнутая система – имеет энергетические «входы» и «выходы», которые связывают между собой соседние биогеоценозы; обмен веществ между ними осуществляется:
— в газообразной фазе,
— в форме живого вещества (миграция организмов);
- биогеоценоз – это арена, среда для эволюции популяций, видов, входящих в него; популяции разных видов воздействуют друг на друга по принципу прямой и обратной связи; биогеоценоз – это продукт совместного исторического развития видов (эволюции), приспособленных к совместному сосуществованию в определенных условиях; целостность определяется отношениями между особями разных видов и физическими условиями среды – абиотическими факторами.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО
обмен веществ, размножение, наследственность, рост, развитие, изменчивость, приспособляемость, раздражимость.
Каждое из этих свойств в отдельности не позволяет провести границу между живым и неживым. Только весь набор представляет возможность с большей вероятностью дать более или менее полную характеристику жизни.
Выделим те черты, которые имеют организационную, информационную и эволюционную трактовку.
1. Дискретность (дискретный – разделенный, состоящий из отдельных частей) – относительная обособленность живых объектов друг от друга.
- любая особь многоклеточного организма состоит из дикретных частиц – клеток; любая клетка включает определенные органеллы; органеллы состоят из дискретных, обычно высокомолекулярных органических веществ; органические вещества состоят из дискретных атомов; атомы состоят из элементарных частиц; все дискретные части и единицы системы взаимодействуют друг с другом.
2. Целостность биологических систем.
- отдельные компоненты связаны в единую систему; целостность поддерживается в процессе развития; этим качественно отличается от целостности неживого; для живых систем характерно увеличение упорядоченности, целостности; в живом проявляется способность к самоорганизации материи.
3. Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями).
- означает возможность передачи по наследству отклонений от исходного состояния; потому, хотя и похожи на своих родителей, никогда не бывают идентичными с ними; она определяет уникальность проявления дискретности и целостности живого → среди живых систем нет двух совершенно одинаковых; это приводит к разнокачественности особей и разной степени приспособленности к условиям обитания, т. е. определяет возможность биологической эволюции; она осуществляется на основе матричного принципа, при воспроизведении изменения неизбежны из-за:
1 –мутационной изменчивости,
2 – структурных изменений за счет движения атомов и молекул (любая достаточно сложная молекулярная структура обладает ограниченной степенью сложной);
- если эти изменения не приводят к летальному исходу, то они будет передаваться по наследству в результате самовоспроизведения по матричному принципу; это единственное специфичное свойство для земных форм жизни.
4. Приспособляемость (адаптированность) к среде обитания.
- все живые организмы и отдельные органы соответствуют своему образу жизни; по особенностям строения можно в общих чертах представить в какой среде живет организм; есть целый ряд адаптаций, которые обеспечивают выживание в разнообразных и непостоянных условиях среды; адаптации бывают разного характера: морфологические, физиологические, поведенческие.