Биологические структуры – 14.2. Классификация уровней биологических структур и организация живых систем

14.2. Классификация уровней биологических структур и организация живых систем

Клетка
— естественная крупинка жизни, как атом

естественная
крупинка неорганизованной материи.

Тейяр де Шарден

Рассмотрение
явлений живой природы по уровням
биологических структур дает возможность
изучения возникновения и эволюции живых
систем на Земле от простейших и менее
организованных систем к более сложным
и высокоорганизованным. Первые
классификации растений, наиболее
известной из которой была система Карла
Линнея, а также классификация животных
Жоржа Бюффона носили в значительной
мере искусственный характер, поскольку
не учитывали происхождения и развития
живых организмов. Тем не менее они
способствовали объединению всего
известного биологического знания, его
анализу и исследованию причин и факторов
происхождения и эволюции живых систем.
Без такого исследования невозможно
было бы, во-первых, перейти на новый
уровень познания, когда объектами
изучения биологов стали живые структуры
сначала на клеточном, а затем на
молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение
и систематизация знаний об отдельных
видах и родах растений и животных
требовали перехода от искусственных
классификаций к естественным, где
основой должен стать принцип генезиса,
происхождения новых видов, а следовательно,
разработана теория эволюции. В-третьих,
именно описательная, эмпирическая
биология послужила тем фундаментом, на
основе которого сформировался целостный
взгляд на многообразный, но в то же время
единый мир живых систем.

Уровни организации
живого — объекты изучения биологии,
экологии и физической географии —
показаны на рис. 14.2.

Представление о
структурных уровнях организации живых
систем сформировалось под влиянием
открытия клеточной теории строения
живых тел. В середине прошлого века
клетка

357

рассматривалась
как элементарная единица живой материи
наподобие атома неорганических тел.
Проблема строения живого, изучаемого
молекулярной биологией, совершила
научную революцию с середины прошлого
столетия. Во второй половине XX
века были выяснены вещественный состав,
структура клетки и процессы, происходящие
в ней.

Каждая
клетка содержит в середине плотное
образование, названное ядром,
которое
плавает в «полужидкой» цитоплазме.
Все
вместе они заключены в клеточную
мембрану.
Клетка
нужна для аппарата
воспроизводства,
который
находится в ее ядре. Без клетки генетический
аппарат не мог бы существовать. Основное
вещество клетки — белки,
молекулы
которых обычно содержат несколько сот
аминокислот
и
похожи на бусы или браслеты с брелочками,
состоящими из главной и боковой цепей.

358

У всех живых видов
имеются свои особые белки, определяемые
генетическим аппаратом.

Попадающие
в организм белки расщепляются на
аминокислоты, которые затем используются
им для построения собственных белков.
Нуклеиновые
кислоты
создают
ферменты, управляющие реакциями. Хотя
в состав белков человеческого организма
входят 20 аминокислот, но совершенно
обязательны для него только 9 из них.
Остальные, по-видимому, вырабатываются
самим организмом. Характерная особенность
аминокислот, содержащихся не только в
человеческом организме, но и в других
живых системах (животных, растениях и
даже вирусах), состоит в том, что все они
являются левовращающими плоскость
поляризации изомерами, хотя в принципе
существуют аминокислоты и правого
вращения.

Дальнейшие
исследования были направлены на изучение
механизмов воспроизводства и
наследственности в надежде обнаружить
в них то специфическое, что отличает
живое от неживого. Наиболее важным
открытием на этом пути было выделение
из состава ядра клетки богатого фосфором
вещества, обладающего свойствами кислоты
и названного впоследствии нуклеиновой
кислотой. В
дальнейшем
удалось выявить углеводный компонент
этих кислот, в одном из которых оказалась
Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза.
Соответственно этому первый тип кислот
стали называть дезоксирибонуклеиновыми
кислотами,
или
(сокращенно) ДНК,
а
второй тип — рибонуклеиновыми,
или
РНК.

Роль
ДНК в хранении и передаче наследственности
была выяснена после того, как в 1944 г.
американским микробиологам удалось
доказать, что выделенная из пневмококков
свободная ДНК обладает свойством
передавать генетическую
информацию.
В
1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом
Криком была предложена и экспериментально
подтверждена гипотеза о строении
молекулы ДНК как материального носителя
информации. В 1960-е гг. французскими
учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно
была решена одна из важнейших проблем
генной активности, раскрывающая
фундаментальную особенность

359

функционирования
живой природы на молекулярном уровне.
Они доказали, что по своей функциональной
активности все гены разделяются на
«регуляторные», кодирующие структуру
регуляторного белка, и «структурные
гены», кодирующие синтез ферментов.

Воспроизводство
себе подобных и наследование признаков
осуществляется с помощью наследственной
информации, материальным носителем
которой являются молекулы
дезокси-рибонуклеиновой кислоты (ДНК).
ДНК состоит из двух цепей, идущих в
противоположных направлениях и
закрученных одна вокруг другой наподобие
электрических проводов. Напоминает
винтовую лестницу. Участок молекулы
ДНК, служащий матрицей для синтеза
одного белка, называют геном. Гены
расположены в хромосомах (части ядер
клеток). Было доказано, что основная
функция генов состоит в кодировании
синтеза белков. Механизм передачи
информации от ДНК к морфологическим
структурам дал известный физик-теоретик
Г. Гамов, указав, что для кодирования
одной аминокислоты требуется сочетание
из трех нуклеотидов ДНК.

Молекулярный
уровень исследования позволил показать,
что основным механизмом изменчивости
и последующего отбора являются мутации,
возникающие на молекулярно-генетическом
уровне. Мутация—это частичное изменение
структуры гена. Конечный эффект
ее—изменение свойств белков, кодируемых
му-тантными генами. Появившийся в
результате мутации признак не исчезает,
а накапливается. Мутации вызываются
радиацией, химическими соединениями,
изменением температуры, наконец, могут
быть просто случайными. Действие
естественного отбора проявляется на
уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной
самостоятельной живой системой можно
считать клетку, постольку изучение
онтогенетического уровня следует начать
именно с клетки. В настоящее время
различают три типа онтогенетического
уровня организации живых систем, которые
представляют собой три линии развития
живого мира: 1) прокариоты — клетки,
лишенные ядер; 2) эукариоты, появившие
позднее, — клетки, содержащие ядра; 3)
архебакте-

360

рии — клетки
которых сходны, с одной стороны, с
прокариотами, с другой — эукариотами.
По-видимому, все эти три линии развития
исходят из единой первичной минимальной
живой системы, которую можно назвать
протоклеткой. Структурный подход к
анализу первичных живых систем на
онтогенетическом уровне нуждается в
дополнительном освещении функциональных
особенностей их жизнедеятельности и
обмена веществ.

Онтогенетический
уровень организации относится к отдельным
живым организмам — одноклеточным
и многоклеточным. В
разных
организмах число клеток существенно
отличается. В соответствии с числом
клеток все живые организмы разделяют
на пять царств: бактерии, водоросли,
грибы, растения, животные.

Первые
живые организмы имели одиночные клетки,
затем эволюция жизни усложнила структуру
и число клеток. Одноклеточные организмы,
имеющие простое строение, называются
монерами
(греч.
moneres

простой), или бактериями. Одноклеточные
организмы с более сложной структурой
относят к царству водорослей,
или
проститов.
Среди
водорослей есть и простейшие многоклеточные
организмы. К многоклеточным относят
растения,
грибы
и
животных.
Живые
организмы классифицируют в связи с их
эволюционным родством, поэтому считается,
что многоклеточные имели своими предками
проститы, а те произошли от монер. Но
три многоклеточных царства произошли
от разных проститов. Каждая группа
многоклеточных организмов — растений,
животных и грибов — имеет свой план
строения, приспособленный к своему
образу жизни, а у каждого вида в процессе
эволюции сложилась определенная
разновидность этого достаточно гибкого
плана. Почти каждый вид состоит из
различающихся по строению, но в то же
время кровно родственных групп индивидов.
Вид представляет собой не простое
собрание индивидуумов, а сложную систему
группировок, соподчиненных и тесно
связанных друг с другом.

Известный
немецкий биолог Э. Геккель открыл
биогенетический закон, согласно которому
онтогенез
в
краткой форме повторяет филогенез,
т.
е. отдельный организм в своем

361

индивидуальном
развитии в сокращенной форме повторяет
историю рода.

Популяционный
уровень начинается с изучения взаимосвязи
и взаимодействия между совокупностями
особей одного вида, которые имеют единый
генофонд и занимают единую территорию.
Такие совокупности, или скорее системы
живых организмов, составляют определенную
популяцию. Очевидно, что популяционный
уровень выходит за рамки отдельного
организма, и поэтому его называют
надорганизменным уровнем организации.

Популяция
представляет
собой первый надорганизменный уровень
организации живых существ, который хотя
и тесно связан с их онтогенетическим и
молекулярными уровнями, но качественно
отличается от них по характеру
взаимодействия составляющих элементов,
ибо в этом взаимодействии они выступают
как целостные общности организмов. По
современным представлениям, именно
популяции служат элементарными единицами
эволюции.

Второй
надорганизменный уровень организации
живого составляет различные системы
популяций, которые называют биоценозами
или
сообществами.
Они
являются более обширными объединениями
живых существ и в значительно большей
мере зависят от небиологических, или
абиотических, факторов развития.

Третий
надорганизменный уровень организации
содержит в качестве элементов разные
биоценозы и в еще большей степени
характеризуется зависимостью от
многочисленных земных и абиотических
условий своего существования
(географических, климатических,
гидрологических, атмосферных и т. п.).
Для его обозначения применяется термин
биогеоценоз,
или
экологическая
система
(экосистема).

Четвертый
надорганизменный уровень организации
возникает из объединения самых
разнообразных биогеоценозов и теперь
называется биосферой.

Для
характеристики трофического
(пищевого)
взаимодействия популяции и биоценозов
существенное значение имеет

362

общее правило,
согласно которому, чем длиннее и сложнее
пищевые связи между организмами и
популяциями, тем более жизнеспособной
и устойчивой является живая система
любого (надорганизменного) уровня.
Отсюда становится ясным, что с биологической
точки зрения на таком уровне решающее
значение приобретает трофический
характер взаимодействия между
составляющими живую систему элементами.

studfiles.net

Биологические структуры — Мегаобучалка

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

 

профессионального образования «Санкт-Петербургский

 

государственный университет сервиса и экономики»

 

Кафедра «Товароведение и экспертиза потребительских товаров»

А.М. МИРЗОЕВ, А.К. АЛИЕВА

БИОХИМИЯ

Учебное пособие

Для студентов направления 100800.62 «Товароведение»

Санкт-Петербург

Одобрено на заседании кафедры «Товароведение и экспертиза потребтельских товаров», протокол № от 2013г.

Одобрено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом СПбГУСЭ, протокол № от 2013г.

Мирзоев А.М. Биохимия. Учебное пособие для студентов направления 100800.62 « Товароведение» / А.М. Мирзоев, А.К. Алиева. – Спб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2013.- 166 с.

Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 100800.62 «Товароведение», изучающих биохимию. Может использоваться также студентами направления 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания».

В учебном пособии рассматриваются вопросы обмена основных пищевых веществ в организме человека, биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов растительного и животного происхождения.

Рецензенты: профессор ФГБОУ ВПО «СПбГАВМ», д-р биол. наук Л.М. Белова

Профессор ФГБОУ ВПО «СПбГУСЭ», д-р биол. наук А.В. Зачиняева

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия — это наука о веществах, из которых построены живые организмы, и о химических процессах, протекающих в живых организмах. Она является базой для основательного понимания всего, что происходит на более высоких уровнях организации живой материи и в первую очередь в клетках и живых организмах.

Биологическая химия изучает состав разнообразных живых систем и изменения этих веществ в процессе их жизнедеятельности. Выявление функционального значения веществ, составляющих живой организм – одна из центральных задач современной биохимии.

Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний.

Биохимические процессы лежат в основе технологий пищевой промышленности: сыроварения, виноделия, хлебопечения, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы при организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка, хлопчатобумажных тканей. Широкое распространение получили такие биохимические производства, как изготовление антибиотиков, витаминов, органических кислот, кормового белка. Знания, полученные в изучении обмена веществ растений и животных, дали возможность получения больших урожаев с высоким качеством. Эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и дессикантов, инсектицидов, репеллентов и т.д.

В зависимости от объектов исследования различают биохимию человека и животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов. Биохимию делят на статическую биохимию, которая изучает химический состав и свойства веществ живых организмов, и динамическую биохимию, которая изучает превращения веществ в процессе жизнедеятельности. Выделяют разделы биохимии по направленности исследований.

Техническая биохимия разрабатывает биохимические основы тех отраслей промышленности, где перерабатываются сырье и материалы биологического происхождения (хлебопечение, сыроварение, виноделие и т.д.).

Медицинская биохимия изучает биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии.

Эволюционная биохимия сопоставляет состав и пути превращения веществ и энергии различных систематических групп живых организмов в эволюционном плане.

Квантовая биохимия исследует свойства, функции и пути превращения различных веществ живых организмов в связи с электронными характеристиками этих веществ, полученными с помощью квантово-механических расчетов.

Энзимология изучает структуру, свойства и механизм действия энзимов (ферментов) – биологических катализаторов.

Биохимия – основа науки о питании. Использование биохимических знаний приводит к развитию новой культуры питания. Теория «сбалансированного» пищевого рациона исходит из представлений о рекомендуемых дозах основных пищевых веществ, витаминов и микроэлементов на основе современных знаний о роли отдельных веществ в обмене и потребности в них у здорового человека в различных условиях труда и быта.

В зависимости от уровня цивилизации эти требования до некоторой степени меняются; снижается потребление продуктов, создающих калорийность насыщенного организма, при этом иногда потребление биологически активных веществ уменьшается. Теория «сбалансированного» питания исходит из необходимого количества биологически активных веществ, покрывающих затраты организма на различные физиологические процессы и другие проявления жизнедеятельности при сохранении определенного веса и достаточно высокого уровня обмена веществ. Применение рассматриваемого принципа означает изменение структуры производства пищи, что при современном укладе жизни осуществляет предприятия общественного питания.

Из истории развития биохимии.Ещё в древности при изготовлении различных пищевых продуктов (молочнокислых, хлебобулочных), дублении кожи, пивоварении, виноделии и других использовались биохимические процессы. В средние века биохимические знания изучались в таких науках, как химия и физиология. Предпосылкой к выделению биохимии как самостоятельной дисциплины были исследования Либиха и его школы, уделявшего большое значение многим вопросам биохимии в особенности питания растений. Также интересны исследования русского ученого Кирхгофа (1764-1833), установившего ферментативный характер распада и синтеза крахмала в растениях, и Велера (1800-1882), который сумел искусственно получить мочевину из неорганического вещества как органическое соединение, образующееся в процессе жизнедеятельности животных организмов. Единство органической и неорганической материи было окончательно подтверждено исследованиями А.М. Бутлерова (1828-1886), осуществившего синтез углеводов, Бертло (1827-1907), открывшего синтез жиров, А.Я. Данилевского (1839-1923), синтезировавшего вне организма с помощью ферментов белковоподобные вещества из продуктов их расщепления.

Биологическая химия отделилась от органической химии после того, как был издан первый учебник физиологической химии А.И. Ходневым (1847), а в 1862 г. в России, в Казанском университете, А.Я. Данилевским была организована первая кафедра медицинской химии. Учение Пастера процессов брожения, их отношения к дыханию помогли выявить особую роль ферментов в жизнедеятельности организмов.

Однако наибольший расцвет биохимии связан с исследованиями, проводившимися в начале ХХ столетия. К этому периоду относятся работы Э. Фишера по аминокислотам и углеводам, И.П. Павлова – по ферментативным и гормональным механизмам пищеварения, Мишера по нуклеиновым кислотам. В это же время были открыты витамины. Наиболее выдающимися следует считать работы О. Варбурга, А. Сент-Дьерьи, В.И. Палладина, А.Н. Баха, В.А. Энгельгардта, обосновавших современную теорию биологического окисления и энергетику этого процесса, исследования Хефиши и Шонхеймера по применению радиоактивных изотопов в изучении обмена веществ. Исследования по структуре белка связаны с именами Санджера, Кендрью, Перутца, а расшифровка нуклеиновых кислот — Чартгафа, Уотсона, Крика, Белозерского и др. Эти исследования положили начало новому направлению в биохимии, получившему название молекулярной биологии.

В нашей стране продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы под руководством академика С. Е. Северина плодотворно проводились работы по биохимии дыхания. Крупные работы приоритетного характера по биоэнергетике выполняются в МГУ В. П. Скулачевым. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии, особенно в области энзимологии (И. В. Березин), биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии (В. Л. Кретович), биохимии и биофизики фотосинтеза (А. А. Красновский). Ряд интереснейших открытий в области биосинтеза белков и их структуры сделаны в Институте белка (А. С. Спирин), по исследованию структуры и функций нуклеиновых кислот, некоторым энзимологическим проблемам — в Институте молекулярной биологии (В. А. Энгельгардт, А. Е. Браунштейн, А. А. Баев, Г. П. Георгиев). Широкое признание в нашей стране и за рубежом получили исследования структуры и свойств мембран Ю. А. Овчинниковым (Институт биоорганической химии). Кроме перечисленных институтов, интенсивные и успешные работы в области биохимии проводятся в Институте медицинской и биологической химии, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов, Институте фотосинтеза, Институте биофизики, а также в ряде институтов ВАСХНИЛ (ныне РАСХН).

Роль биохимии в подготовке специалистов торговли и общественного питания. Биохимия глубоко проникла в процессы, происходящие в растениях, организме человека и животных, микроорганизмах. Соответственно возникли и различные отрасли биохимии: биохимия животных, биохимия растений, биохимия микроорганизмов, а также техническая биохимия, целью которой является изучение биохимических процессов, возникающих в сырье при его хранении и переработке.

Программа курса биохимии для товароведов-продовольственников и технологов общественного питания состоит из двух частей: 1) биохимия человека и 2) биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья (техническая биохимия).

При изучении биохимии человека студенты усваивают биохимические свойства и обменные процессы основных пищевых веществ продовольственных товаров – белков, жиров , углеводов, роль витаминов , ферментов, минеральных веществ и гормонов в метаболических процессах в организме человека.

Во второй части студенты изучают вопросы влияния отдельных пищевых веществ продовольственных товаров и сельхозсырья на их технологические достоинства, качество и сохраняемость, что имеет важное значение при их переработке в пищевой промышленности и общественном питании, а также для организации их надлежащего хранения. Здесь же рассматриваются вопросы влияния ферментов на качество получаемых при переработке сырья пищевых продуктов. При этом рассматриваются как положительные стороны участия ферментов в формировании качества пищевых продуктов при их получении, так и отрицательные стороны. В этой же части рассматриваются и вопросы использования ферментов в пищевой промышленности.

Так, например, окислительно-восстановительные ферменты (тирозиназа, полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа) , как правило, негативно влияют на качество пищевых продуктов при их получении и хранении. Тирозиназа, окисляя аминокислоту тирозин, приводит к образованию темноокрашенных соединений ферментативной природы – меланинов. что имеет место, в частности, при чистке картофеля. Полифенолоксидаза, окисляя фенольные соединения, вызывает образование окрашенных соединений, известных под названием флобафены. Все это приводит к ухудшению качества сырья и получаемых из него продуктов питания и блюд.

Ряд гидролитических ферментов в определенных пределах приводит к улучшению качества и технологических свойств продуктов. Так, например, протеолитические ферменты активно участвуют в процессах созревания мяса при использовании его в мясной отрасли и общественном питании. Пектолитические и амилолитические ферменты участвуют в созревании свежих плодов. Фитаза повышает биологическую ценность хлеба.

Некоторые пищевые производства по сути своей являются биохимическими. К ним относится, в частности, производство чая.

Выше мы говорили о собственных ферментах, содержащихся в сельхозсырье и получаемых из них пищевых продуктах. Однако в производстве и хранении продовольственных товаров и кулинарных блюд велико значение ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Хотя в пищевой промышленности и общественном питании используются и ферменты, получаемые из растительного и животного пищевого сырья (реннин, папаин, фицин, бромелин), однако доминирующее значение имеют ферменты, получаемые из микроорганизмов. Возможности животного и растительного сырья как источника ферментов для пищевых производств весьма ограничены как в качественном отношении, так и количественном отношении.

Таким образом, биохимическая подготовка товароведов-продовольственников и технологов общественного питания является неотъемлемой органической частью их профессиональной подготовки. Биохимия является базовой дисциплиной при изучении студентами этих специальностей микробиологии, экологии, физиологии питания, товароведения и экспертизы продовольственных товаров, технологии продукции общественного питания, технологии хранения продовольственных товаров и др.

 

 

 

 

1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ.

ОБЩАЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

 

Все живые системы состоят из разнообразных веществ, которые представляют собой различнообразное сочетание атомов каких-либо элементов. Исходя из данных Сиборга и Веленса, тело человека (весом 70 кг) включает в себя следующие элементы: кислород – 45 кг, углерод – 12,6; водород – 7,0; азот – 2,1; кальций – 1,4; фосфор – 0,7кг. Калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, кремний в сумме составляют 0,7 кг. Кобальт, молибден, барий, цинк, марганец, медь, олово содержатся в теле человека в очень маленьком количестве и поэтому их называют микроэлементами.

Изучение разнообразных живых систем показало, что в них встречаются одни и те же элементы в сходных количествах (табл. 1).

Таблица 1. Элементарный состав живых систем

Элементы Содержание, % Соединения и системы, в которые входит элемент
О, Н, С
 
N,Ca
 
 
P, Si, K
 
Na, Cl, Mg, Fe
 
Br, I, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, B
10 и более
 
1-10
 
 
0.1
 
0,01-0,1
 
0,001-0,01
Н2О и почти все органические соединения
С – все органические соединения
N – в составе белка, нуклеиновых кислот, некоторых углеводов и липидов
Са – в составе скелета животных, раковин моллюсков
S- в белках
Р – в составе фосфорорганических соединений
Si- в опорных тканях простейших и растений
К – во всех клетках, особенно много в растительных
Na, Cl – главные элементы, обусловливающие осмотическое давление в клетках
Mg – в хлорофилле растений
Fe – в гемоглобине крови и многих ферментах
Вся группа микроэлементов входит в состав ферментных систем

Из приведенных данных можно видеть роль отдельных элементов, входящих в состав живых систем. Однако, помимо перечисленных, обнаружен и ряд других элементов (около 40), биологическая роль которых до настоящего времени не выявлена. Не исключена возможность, что присутствие их в живых системах обусловлено механическим поступлением вместе с необходимыми веществами пищи.

При более детальном исследовании живых систем было найдено, что важнейшие соединения, т.е. молекулы, из которых построены живые организмы, практически одни и те же у самых разнообразных организмов. Это дает основание для утверждения общего принципа единства биохимического строения живых систем.

Если рассмотреть химический состав клеток живых систем с количественной стороны, то подсчет молекул активной цитоплазмы покажет, что наибольшее их количество принадлежит воде и растворенным в ней неорганическим веществам (табл. 2).

 

Таблица 2. Состав и относительное число молекул в цитоплазме (по де Робертису)

Вещество % от сырого веса цитоплазмы Средний молекулярный вес Относительное число молекул
Вода
Белок
Липиды
Углеводы и другие вещества
Неорганические вещества
85-90
7-10
1-2
1,0-1,5
1,5








Органические вещества по числу молекул занимают меньший удельный вес, чем неорганические, но их биологическая роль огромна. Это особенно относится к белкам и нуклеиновым кислотам, присутствие которых характерно для всех живых систем и с которыми связаны все стороны проявления жизни. В последние годы, кроме крахмала и гликогена, выявлен ряд весьма важных полисахаридов, играющих ведущую роль в процессах проницаемости, иммунитета и др.

Среди молекул органического происхождения, имеющих относительно небольшой размер, но выполняющих важные биологические функции, следует назвать сахара (моно- и дисахариды), липиды, витамины, гормоны, некоторые азотистые и фосфорорганические соединения и другие многочисленные продукты синтеза и распада основных органических веществ, находящих в составе клеток всех живых систем.

Биологические структуры

Живые системы, даже самые простые, характеризуются высокой упорядоченностью, значительно превосходящей любые неживые системы.

Появление микроскопа привело к открытию клетки — структурной единицы каждой ткани всех живых организмов. Основные черты строения клетки, определяющие возможность осуществления упорядоченных процессов, составляющих основу жизни, одинаковы для животных, растений и микроорганизмов.

Клетка — это внешне простая система, состоящая из цитоплазмы и ядра. Однако в ней сосредоточены важнейшие проявления жизни: синтез белка, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других веществ, что дает основание считать ее сложнейшей химической системой.


С развитием электронномикроскопической техники в клетке были открыты структуры, о которых ранее не было известно (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения клетки животного: 1- ядро; 2 — ядрышко; 3 — ядерная мембрана; 4 — цитоплазма; 5 — аппарат Гольджи; 6 — митохондрии; 7 — лизосома; 8 — эндоилазматическая.

Стало видно, что цитоплазма клеток дифференцированна и содержит следующие компоненты: митохондрии, в которых происходят окислительные реакции, снабжающие клетку энергией; эндоплазматический ретикулум – систему канальцев, пронизывающих цитоплазму, связывающую ее с ядром; ядро, содержащее хромосомы, в молекулярных структурах которых записана генетическая информация; ядрышко – место скопления рибонуклеиновых кислот; центросому – орган, определяющий плоскость деления клетки; рибосомы, в которых синтезируется белок; _аппарат Гольджи, найденный почти во всех клетках. Снаружи, клетка покрыта оболочкой, состоящей из наружного защитного слоя

megaobuchalka.ru

Биологическая структура — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Биологическая структура

Cтраница 1

Биологические структуры осуществляют регулирование ферментативных процессов путем обеспечения определенных пространственных условий протекания и последовательности чередования химических реакций в организме. Наконец, они важны для создания самой формы клеток и их связей между собою, что необходимо для существования многоклеточного организма как единого целого.
 [1]

Часто высокоплавкие биологические структуры ( вещества), которые имеют повышенные значения fm, характеризуются также повышенными значениями АНт ( Д / / 0) 1 — Согласно предлагаемой автором модели вымерзания, можно полагать, что такие высокоплавкие вещества ( структуры) при снижении температуры тканей организма ( среды обитания) вымерзают и их роль в процессах метаболизма и структурообразования снижается.
 [2]

Значение биологических структур для живого организма не ограничивается тем, что они играют роль систем, преобразующих энергию из одной формы в другую.
 [3]

С коллоидными и биологическими структурами может быть проведено большое количество физических измерений.
 [4]

В биологических структурах синтетические процессы не исчерпываются реакциями, в которых участвуют молекулы. Вообще говоря, и более крупные фрагменты, состоящие из большего числа молекул и имеющие характер коллоидных частиц, могут принимать участие в строительстве структуры и, следовательно, должны рассматриваться как участники процесса с кинетической точки зрения.
 [5]

Кинетика возникновения биологических структур еще более осложняется тем, что на химические процессы накладываются процессы диффузии молекул и надмолекулярных образований. Кроме того, в клетках происходят уже организованные движения протоплазмы, совершающиеся за счет энергии АТФ и, разумеется, также отражающиеся на кинетике в целом.
 [6]

Макроскопические свойства кератинсодержащих биологических структур — волос, шерсти, перьев, рогйв, ногтей, копыт — указывают на его высокую стабильность и / растворимость. Исследование кератина показывает, что эти. Кератин волос человека и кератин шерсти содержит 11 — 12 % цистина, т.е. 3 % серы.
 [7]

Но в динамических биологических структурах, выполняющих функции высших кодов, всегда имеется множество участков, важных для высших кодов, но уязвимых для случайных кодовых действий и внешней и даже внутренней среды; в этом заключается драматизм положения. С одной стороны, высшие коды ( нервная система, клетки мозга) обеспечивают высокую степень параметрической изоляции организма и сопротивления случайным кодам, а с другой — сами они плохо защищены от беспорядочных кодовых воздействий и способны подобно скалам, размываемым волнами, накапливать результаты хаотических кодовых воздействий. Защиту их природа в основном доверила именно механизмам высшего ранга. Мозг должен заботиться о сохранении нервных клеток от разрушения, а сами клетки почти беззащитны.
 [8]

Молекулярная биология изучает биологические структуры и их функции на молекулярном и атомном уровне. Как научное направление молекулярная биология начала развиваться в период 1930 — 1940 гг., когда были достигнуты успехи в понимании тонкой структуры и свойств небольших молекул благодаря применению спектральных и магнитных методов, в первую очередь дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ( рентгеноструктурный анализ) и дифракции электронов молекулами газа; этим успехам способствовал и прогресс в теории, связанный с появлением квантовой механики. Первые рентгенограммы фибриллярных белков и целлюлозы были получены в 1918 г., кристаллов глобулярных белков — в 1934 г.; но только много лет спустя удалось полностью расшифровать строение белковых молекул.
 [9]

Как правило, биологические структуры на препаратах прозрачны, поэтому для получения контраста между ними приходится прибегать к различным средствам. Самым распространенным является окрашивание.
 [10]

КЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ ( биологические структуры) — надмолекулярные агрегаты, входящие в состав живых клеток, образованные биополимерами ( белками, жирами, нуклеиновыми кислотами и др.) без участия ковалентных связей между этими молекулами.
 [12]

В целом упорядоченность биологических структур имеет, конечно, чрезвычайно сложную природу, но изучение структур полимерных материалов является одним из важных путей подхода к разрешению этой проблемы.
 [14]

Рассмотреть все типы биологических структур, связанные с биохимическими процессами в организме, не представляется возможным.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4




www.ngpedia.ru

Биологическая структура — это… Что такое Биологическая структура?



Биологическая структура
Строение в пространстве тех или иных частей организма, а также их взаимоотношения друг с другом. В организме все определенным образом структурировано от молекул различных веществ до организма в целом.

Адаптивная физическая культура. Краткий энциклопедический словарь. — М.: Флинта.
Э. Н. Вайнер, С. А. Кастюнин.
2012.

  • Биогенетический закон
  • Биологические циклы

Смотреть что такое «Биологическая структура» в других словарях:

  • БИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ОКЕАНА — совокупность наиболее общих особенностей организации и распределения жизни в океане. Определяется основными законами биогеографии: законом широтной зональности, законом вертикальной зональности (поясности), законом биологической симметрии и… …   Морской энциклопедический справочник

  • Структура — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете …   Википедия

  • Биологическая систематика — Содержание 1 Цели и принципы систематики 2 История систематики …   Википедия

  • Биологическая мембрана — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… …   Википедия

  • Биологическая деструкция — Биологические деструктивные процессы разрушение клеток и тканей в ходе жизнедеятельности организма или после его смерти. Эти изменения широко распространены и встречается как в норме, так и в патологии. Биологическая деструкция, наряду с… …   Википедия

  • Биологическая Жизнь — Жизнь  способ бытия сущностей (живых организмов), наделенных внутренней активностью,[1] процесс развития тел органического строения[2] с устойчивым преобладанием процессов синтеза над процессами распада, особое состояние материи, достигаемое за… …   Википедия

  • Биологическая роль калия — Калий (K) Атомный номер 19 Внешний вид простого вещества Серебристо белый мягкий металл Свойства атома Атомная масса (молярная масса) …   Википедия

  • БИОЛОГИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА — в сельском хозяйстве, область кибернетики, изучающая процессы управления и связи в живых организмах. Б. к. рассматривает вопросы организации живых систем, адаптивные свойства живой материи, механизмы саморегуляции на разл. уровнях её организации… …   Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

  • Поиск количественных соотношений структура-свойство — Поиск количественных соотношений структура свойство  процедура построения моделей, позволяющих по структурам химических соединений предсказывать их разнообразные свойства. За моделями, позволяющими прогнозировать количественные… …   Википедия

  • КИБЕРНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКАЯ — биокибернетика (от греч. kubernetike искусство управления), научное направление, связанное с применением идей и методов кибернетики в биологии. Исторически зарождение и развитие К. б. связаны с эволюцией представлений об обратной связи в живых… …   Биологический энциклопедический словарь

Книги

  • Биологическая неорганическая химия. Структура и реакционная способность. Учебник в 2-х томах. Том 1, Бертини Ивано, Валентине Джоан, Стифель Эдвард, В научном сообществе эта книга признана наиболее полным и фундаментальным на сегодняшний день трудом в этой области. В русском переводе выходит в двух томах. В т. 1 вошли часть 1 и частично… Категория: Другие биологические науки Серия: Лучший зарубежный учебник Издатель: Бином. Лаборатория знаний, Подробнее  Купить за 3490 руб
  • Биологическая химия. Учебник, Д. Г. Кнорре, С. Д. Мызина, Данное 4-е издание (3-е издание состоялось в 2000 г.), как и предыдущие, написано на основе лекций, которые на протяжении ряда лет авторы читали на факультете естественных наук Новосибирского… Категория: Разное Издатель: Издательство Сибирского отделения РАН, Производитель: Издательство Сибирского отделения РАН, Подробнее  Купить за 2123 грн (только Украина)
  • Биологическая неорганическая химия. Структура и реакционная способность. Учебник (количество томов: 2), Бертини Ивано, В учебном издании, написанном учеными из Италии и США, изложены фундаментальные теоретические представления, лежащие в основе функционирования природных биологических систем, содержащих ионы… Категория: Учебники: основные Серия: Лучший зарубежный учебник Издатель: Бином. Лаборатория знаний, Подробнее  Купить за 1991 руб

Другие книги по запросу «Биологическая структура» >>

adaptive_physical_education.academic.ru

Глава 10. Концепция уровней биологических структур и организации живых систем

Придерживаясь
принципов системного подхода, будем
рассматривать огромное разнообразие
форм и явлений живой природы также с
точки зрения уровня определяющих их
биологических структур. Хотя подобное
изучение и не следует тому историческому
пути, каким развивалась биология, но
оно даст возможность теоретически
представить, как могли возникнуть первые
живые системы на Земле и как происходил
процесс эволюции от простейших и менее
организованных систем к системам более
сложным и высокоорганизованным.

Исторически
биология развивалась как описательная
наука о многообразных формах и видах
растительного и животного царства.
Поэтому важнейшее место в ней заняли
методы
анализа, систематизации и классификации

огромного эмпирического материала,
накопленного натуралистами. Первые
классификации растений, наиболее
известной из которых была система Карла
Линнея (1707-1778), а также классификация
животных Жоржа Бюффона (1707-1788), носили
в значительной мере искусственный
характер, поскольку не учитывали
происхождения и развития живых организмов.
Тем не менее, они способствовали
объединению всего известного биологического
знания, его анализу и исследованию
причин и факторов происхождения и
эволюции живых систем.

Без
такого исследования невозможно было
бы, во-первых, перейти на новый уровень
познания, когда объектами изучения
биологов стали живые структуры сначала
на клеточном, а затем на молекулярном
уровне.

Во-вторых,
обобщение и систематизация знаний об
отдельных видах и родах растений и
животных требовали перехода от
искусственных классификаций к
естественным, где основой должен стать
принцип генезиса, происхождения новых
видов, а следовательно, разработка
теории эволюции. Такие попытки создания
естественной классификации, опирающиеся
на весьма несовершенные еще принципы
эволюции, предпринимались Жан Батистом
Ламарком (1744-1829) и Этьеном Жоффруа
Сент-Илером (1772-1844). Не подлежит сомнению,
что они послужили важной вехой на пути
создания первой научной теории эволюции
видов растений и животных Чарлзом
Дарви-ном.

В-третьих,
именно описательная, эмпирическая
биология послужила тем фундаментом, на
основе которого сформировался целостный
взгляд на многообразный, но в то же время
единый мир живых систем. Можно даже
сказать, что первые представления о
системах и уровнях их организации были
заимствованы из опыта изучения живой
природы и даже сейчас для иллюстраций
мы час» то обращаемся именно к живым
системам. Ведь прежде чем объяснить
функционирование отдельных частей или
элементов живых организмов, мы должны
понять жизнедеятельность единого, цегкм
стного организма, а такое понимание
первоначально достигаетсй именно на
описательном, эмпирическом уровне.
Дальнейший? теоретический шаг в понимании
неизбежно связан с анализом непосредственно
данной живой системы, ее расчленением
на отдельные подсистемы и элементы,
изучением структуры системы, выявлением
различных структурных уровней организации
живых систем.

10.1. Молекулярно-генетический уровень биологических структур

Представление о структурных уровнях
организаций живых систем сформировалось
под влиянием открытия клеточной теории
строения живых тел. В середине прошлого
века клетка рассматривалась как последняя

единица живой материи, наподобие атома
неорганических тел. Из клеток благодаря
соответствующему принципу упорядоченности
мыслились построенными все живые системы
различного уровня организованности.
Такие идеи высказывал, например, один
из создателей клеточной теории Маттиас
Шлейден (1804-1881). Другой выдающийся биолог
Эрнст Геккель (1834-1919) шел дальше и выдвинул
гипотезу, согласно которой протоплазма
клетки также обладает определенной
структурой и состоит из субмикроскопических
частей. Таким образом, в живой системе
можно выделить новый структурный уровень
организации.

Эти идеи, далеко опережающие научные
знания своей эпохи, встречали явное
сопротивление, с одной стороны,
последователей редукционизма, стремившихся
свести процессы жизнедеятельности к
совокупности определенных химических
реакций, а с другой — защитников витализма,которые пытались объяснить специфику
живых организмов наличием в них особой
«жизненной силы» (от лат.vitalis —жизненный).

Идеи редукционистов находили поддержку
со стороны представителей механистического
и «вульгарного» материализма,
первые из которых пытались объяснить
закономерности живой природы с помощью
простейших механических и физических
понятий и принципов, вторые же стремились
редуцировать,свести эти законы к
закономерностям химических реакций,
происходящих в организме. Более того,
некоторые представители «вульгарных»
материалистов — Людвиг Бюхнер (1824-1899) и
Якоб Молешотт (1822-1893)- даже утверждали,
что мозг порождает мысль подобно тому,
как печень выделяет желчь.

Несмотря на эти философские дискуссии
между механицистами и виталистами,
ученые-экспериментаторы пытались
конкретно выяснить, от каких именно
структур зависят специфические свойства
живых организмов, и поэтому продолжали
исследовать их на уровне не только
клетки, но также и клеточных структур.

В первую очередь ученые исследовали
структуру белков и выяснили, что они
построены из 20 аминокислот, которые
соединены длинными палипептидными
связями,
или цепями.

Хотя в состав белков человеческого
организма входят все 20 аминокислот, но
совершенно обязательны для него только
9 из них. Остальные, по-видимому,
вырабатываются самим организмом.

Характерная особенность аминокислот,
содержащихся не только в человеческом
организме, но и в других живых системах
(животных, растениях и даже вирусах),
состоит в том, что все они являются
левовращающим| плоскость поляризации
изомерами, хотя в принципе существуют
аминокислоты и правого вращения. Обе
формы таких изомеров почти одинаковы
между собой и различаются только
пространственной конфигурацией, и
поэтому каждая из молекул аминокислот
является зеркальным отображением
другой. Впервые это явление открыл
выдающийся французский ученый Луи
Пастер (1822- 1895), исследуя строение веществ
биологического происхождения. Он
обнаружил, что такие вещества способны
отклонять поляризованный луч и поэтому
являются оптически активными, вследствие
чего были впоследствии названы оптическими
изомерами.В отличие от этого у
молекул неорганических веществ эта
способность отсутствует и построены
они совершенно симметрично.

На основе своих опытов Л. Пастер высказал
мысль, что важнейшим свойством всей
живой материи является их молекулярная
асимметричность, подобная асимметричности
левой и правой рук. Опираясь на эту
аналогию, в современной науке это
свойство называют молекулярной
хиральностью.
(Этот термин происходит
от греч. cheir — рука). Интересно заметить,
что если бы человек вдруг превратился
в свое зеркальное отображение, то его
организм функционировал бы нормально
ДОД тех пор, пока он не стал бы употреблять
пищу растительного или животного
происхождения, которую он не смог
бы переварить.

На вопрос, почему именно живая природа
выбрала белковые молекулы, построенные
из аминокислот левого вращения, до сих
пор нет убедительного ответа. Сам Л.
Пастер считал, что поскольку живое
возникает из неживого, то необходимым
предварительным условием для этого
процесса должно стать превращение
симметричных неорганических молекул
в асимметричные. По его предположению,
такое превращение могло быть вызвано
различными космическими факторами, в
частности, геомагнитными колебаниями,
вращением Земли, электрическими разрядами
и т. п. Попытки экспериментально проверить
эту гипотезу не увенчались успехом.
Поэтому высказывались предположения
и о чисто случайном характере возникновения
первых живых молекулярных систем,
образованных из аминокислот левого
вращения. В дальнейшем эта особенность
могла быть передана по наследству и
закрепиться как неотъемлемое свойство
всех живых систем.

Наряду с изучением структуры белка в
последние полвека особенно интенсивно
изучались механизмы наследственности
и воспроизводства живых систем. Особенно
остро этот вопрос встал перед биологами
в связи с определением границы между
живым и неживым. Большие споры возникли
вокруг природы вирусов,которые
обладают способностью к самовоспроизводству,
но не в состоянии осуществлять процессы,
которые мы обычно приписываем живым
системам: обмениваться веществом,
реагировать на внешние раздражители,
расти и т. п. Очевидно, если считать
определяющим свойством живого обмен
веществ, то вирусы нельзя назвать живыми
организмами, но если таким свойством
считать воспроизводимость, то их следует
отнести к живым телам. Так естественно
возникает вопрос: какие свойства или
признаки характерны для живых систем?

На этот вопрос ученые отвечали по-разному
в различные исторические этапы развития
естествознания в зависимости от
достигнутого уровня исследований.

Пока не существовало развитых методов
биологического исследования и сколь-нибудь
ясных теоретических концепций, сущность
живого сводили к наличию некоей
таинственной «жизненной силы»,
которая отличает живое от неживого.
Однако такое определение оставалось
чисто отрицательным, ибо не раскрывало
ни подлинной причины, ни механизма
отличия живого от неживого, а все сводило
к иррациональной, непознаваемой и потому
таинственной способности живых
организмов. На этом основании сторонников
такого взгляда обычно называют
виталистами.

Если первые виталисты ограничивались
простой констатацией различия между
живым и неживым, то их последователи
использовали недостатки и ограниченность
физико-химических представлений о жизни
для подкрепления своей позиции. Наиболее
интересной в этом отношении представляется
попытка немецкого биолога и философа
Ханса Дриша (1867-1941), который возродил
существовавшее еще у Аристотеля понятие
энтелехиидля объяснения
целесообразности живых систем. Основываясь
на своих опытах по регенерации морских
ежей, которые восстанавливают удаленные
у них части тел, Дриш утверждал, что все
живые организмы обладают особой
способностью к целесообразным действиям
по сохранению и поддержанию своей
организации и жизнедеятельности, которую
он назвал энтелехией. По сути дела
энтелехия ничем не отличается от
«жизненной силы» виталистов, хотя
в духе своего времени (XX век) X. Дриш
вводит градации и различные ее степени
для разных живых организмов. На упреки
в том, что энтелехию невозможно установить
никакими эмпирически методами, он
отвечал, что магнитную силу также нельзя
увидеть непосредственно. На этом примере
можно убедиться, как современные
виталисты используют понятия о
ненаблюдаемых объектах (магнетизм,
электричество и т. д.) для защиты своих
взглядов.

Несмотря на критику виталистов,
биологи-экспериментаторы продолжали
свою трудную и кропотливую работу по
анализу структуры и функций живых
систем.

Как изменились наши представления о
живых системах в связи с переходом на
новый, молекулярный уровень исследования?

Долгое время в связи с изучением синтеза
органических веществ внимание ученых
было сосредоточено на исследовании той
части клеточной структуры, которая
образована из белков. Многим- тогда
казалось, что именно белки составляют
фундаментальную основу жизни, и поэтому
пытались свести свойства живых систем
к свойствам и структуре белков..
По-видимому, именно опираясь на это,
Фридрих Энгельс (1820-1895) выдвинул свое
известное определение жизни как способа
существования белковых тел, которое
продолжали некритически повторять в
нашей литературе, несмотря на глубокие
исследования, выяснившие, что ни сам
белок, ни его составные элементы не
представляют ничего уникального в
химическом отношении.

В связи с этим дальнейшие исследования
были направлены на изучение механизмов
воспроизводства и наследственности в
надежде обнаружить в них то специфическое,
что отличает живое от неживого. Наиболее
важным открытием на этом пути было
выделение из состава ядра клетки богатого
фосфором вещества, обладающего свойствами
кислоты и названного впоследствии
нуклеиновой кислотой.В дальнейшем
удалось выявить углеводный компонент
этих кислот, в одном из которых оказалась
D-дезоксирибоза, а в другом — D-рибоза.
Соответственно этому первый тип кислот
стали называтьдезоксирибонуклеиновымикислотами, или сокращенно, ДНК,а
второй тип —рибонуклеиновымч,или
кратко, РНК кислотами. Потребовалось,
однако, почти сто лет, прежде чем была
расшифрована роль нуклеиновых кислот
в хранении и передаче наследственности,
участии в синтезе белка и обмене веществ.

Не вдаваясь в детали и специальную
терминологию, кратко рассмотрим эти
важнейшие для биологии и естествознания
вопросы.

Роль ДНК в хранении и передаче
наследственности была выяснена после
того, как в 1944 г. американским микробиологам
удалось доказать, что выделенная из
пневмококков свободная ДНК обладает
свойством передавать генетическую
информацию. До этого существовали либо
косвенные, либо не совсем надежные
свидетельства этого факта. В 1953 г.
Джеймсом Уотсоном (р. 1928) и Фрэнсисом
Криком (р. 1916) была предложена и
экспериментально подтверждена гипотеза
о строении молекулы ДНК как материального
носителя информации. В 1960-е годы
французскими учеными Франсуа Жакобом
(р. 1920) и Жаком Моно (1910-1976) была решена
одна из важнейших проблем генной
активности,
раскрывающая фундаментальную
особенность функционирования живой
природы на молекулярном уровне. Они
доказали, что по своей функциональной
активности все гены разделяются на
«регуляторные», кодирующие структуру
регуляторного белка, и «структурные
гены», кодирующие синтез метаболитов,
в том числе ферментов.

Дальнейшими исследованиями была
установлена непосредственная зависимость
синтеза белков (ферментов) от состояния
генов (ДНК). Оказалось, что если
воздействовать на генетический аппарат
микроорганизмов определенными физическими
факторами (ультрафиолетовые, рентгеновские
и другие лучи), то они перестают
синтезировать необходимые им метаболиты,
в частности белки. Благодаря этим
исследованиям было доказано, что основная
функция генов состоит в кодировании
синтеза белков.

В связи с этим возник вопрос: каким
образом осуществляется передача
информации от ДНК к морфологическим
структурам?

Согласно упомянутой выше модели Уотсона
и Крика, наследственную информацию в
молекуле ДНК несет последовательность
четырех оснований: два пуриновых и два
пиримидиновых. Между тем в белках
содержится 20 аминокислот и поэтому
становится необходимым объяснить, как
четырехбуквенная запись структуры ДНК
может быть переведена в 20-буквенную
запись аминокислот белков. Первое
гипотетическое объяснение механизма
такого перевода дал известный
физик-теоретик Г. Га-мов, предположив,
что для кодирования одной аминокислоты
требуется сочетание из трех нуклеотидов
ДНК. Спустя семь лет его гипотеза была
блестяще подтверждена экспериментально
и тем самым был раскрыт механизм считки
генетической информации.

Переход на молекулярный уровень
исследования во многом изменил
представления о механизме изменчивости.Согласно доминирующей точке зрения,
основным источником изменений и
последующего отбора являютсямутации,возникающие на молекулярно-генетическом
уровне. Однако кроме переноса свойств
от одного организма к другому, существуют
и другие механизмы изменчивости,
важнейшим из которых являются «генетические
рекомбинации». В одних случаях,
называемых «классическими», они
не приводят к увеличению генетической
информации, что наблюдается главным
образом у высших организмов. В других,
«неклассических» случаях рекомбинация
сопровождается увеличением информации
генома клетки. При этом фрагменты
хромосомы клетки-донора могут включаться
в хромосому клетки-реципиента, а могут
оставаться в латентном, скрытом,
состоянии, но под влиянием внешних
факторов они становятся активными и
поэтому могут соединиться с
клеткой-реципиентом.

Дальнейшее исследование «неклассических»
форм генетических рекомбинаций привело
к открытию целого ряда переносимых или
«мигрирующих» генетических
элементов. Важнейшими из них являются
автономные генетические элементы,
названные плазмидами,которые служат
активными переносчиками генетической
информации. На основе этих результатов
некоторыми учеными высказано предположение,
что «мигрирующие» генетические
элементы вызывают более существенные
изменения в геномах клеток, чем мутации.

Все это не могло не поставить вопроса
о том, работает ли естественный отбор
на молекулярно-генетическом уровне?
Появление «теории нейтральных мутаций»
еще больше обострило ситуацию, поскольку
она доказывает, что изменения в функциях
аппарата, синтезирующего белок, являются
результатом нейтральных, случайных
мутаций, не оказывающих влияния на
эволюцию. Хотя такой вывод и не является
общепризнанным, но хорошо известно, что
действие естественного отбора проявляется
на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного
организма, а это связано уже с более
высоким уровнем исследования.

studfiles.net

Классификация уровней биологических структур и организация живых систем

Клетка — естественная крупинка жизни, как атом естественная крупинка неорганизованной материи.

Тейяр де Шарден

Рассмотрение явлений живой природы по уровням биологических структур дает возможность изучения возникновения и эволюции живых систем на Земле от простейших и менее организованных систем к более сложным и высокоорганизованным. Первые классификации растений, наиболее известной из которой была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем. Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработана теория эволюции. В-третьих, именно описательная, эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых систем.

Уровни организации живого — объекты изучения биологии, экологии и физической географии — показаны на рис. 14.2.

Представление о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка

рассматривалась как элементарная единица живой материи наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, совершила научную революцию с середины прошлого столетия. Во второй половине XX века были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром,которое плавает в «полужидкой» цитоплазме.Все вместе они заключены в клеточную мембрану.Клетка нужна для аппарата воспроизводства,который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки — белки,молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислоти похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей.

У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислотысоздают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. Вдальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами,или (сокращенно) ДНК,а второй тип — рибонуклеиновыми,или РНК.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию.В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность

функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на «регуляторные», кодирующие структуру регуляторного белка, и «структурные гены», кодирующие синтез ферментов.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезокси-рибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоретик Г. Гамов, указав, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК.

Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация—это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее—изменение свойств белков, кодируемых му-тантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайными. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которые представляют собой три линии развития живого мира: 1) прокариоты — клетки, лишенные ядер; 2) эукариоты, появившие позднее, — клетки, содержащие ядра; 3) архебакте-

рии — клетки которых сходны, с одной стороны, с прокариотами, с другой — эукариотами. По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, которую можно назвать протоклеткой. Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Вразных организмах число клеток существенно отличается. В соответствии с числом клеток все живые организмы разделяют на пять царств: бактерии, водоросли, грибы, растения, животные.

Первые живые организмы имели одиночные клетки, затем эволюция жизни усложнила структуру и число клеток. Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, называются монерами(греч. moneres — простой), или бактериями. Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к царству водорослей,или проститов.Среди водорослей есть и простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным относят растения, грибыи животных.Живые организмы классифицируют в связи с их эволюционным родством, поэтому считается, что многоклеточные имели своими предками проститы, а те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов — растений, животных и грибов — имеет свой план строения, приспособленный к своему образу жизни, а у каждого вида в процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого достаточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в то же время кровно родственных групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и тесно связанных друг с другом.

Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл биогенетический закон, согласно которому онтогенезв краткой форме повторяет филогенез,т. е. отдельный организм в своем

индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или скорее системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяцияпредставляет собой первый надорганизменный уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляет различные системы популяций, которые называют биоценозамиили сообществами.Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т. п.). Для его обозначения применяется термин биогеоценоз,или экологическая система(экосистема).

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь называется биосферой.

Для характеристики трофического(пищевого) взаимодействия популяции и биоценозов существенное значение имеет

общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого (надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия между составляющими живую систему элементами.

megaobuchalka.ru

Концепция уровней биологических структур и организация живых систем

Придерживаясь принципов системного подхода, будем рассматривать разнообразие форм и явлений живой природы также с точки зрения уровня определяющих их биологических структур. Хотя подобное изучение и не следует тому историческому пути, каким развивалась биология, но оно даст возможность теоретически представить, как могли возникнуть первые живые системы на Земле и как происходил процесс эволюции от простейших и менее организованных систем к системам более сложным и высокоорганизованным.

Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного царства. Поэтому важнейшее место в ней заняли методы описания, анализа, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами. Первые классификации, наиболее известной из которых была система растений К. Линнея (1707—1778), а также классификация животных Ж. Бюффона (1707—1788), носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем.

Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем и на молекулярном уровне.

Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к классификациям естественным, где их основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработка теории эволюции. Такие попытки создания естественной классификации, опирающиеся на весьма несовершен-

ные еще принципы эволюции, предпринимались Ж.Б. Ламарком (1744—1829) и Э.Ж. Сент-Илером (1772-1844). Не подлежит сомнению, что они послужили важной вехой на пути создания Ч. Дарвином (1809—1882) первой научной теории эволюции растений и животных. В-третьих, именно традиционная, описательная или эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых существ. Дальнейший, теоретический шаг в понимании неизбежно связан с анализом непосредственно данной живой системы, ее расчленением на отдельные подсистемы и элементы, изучением структуры системы, выявлением различных структурных уровней организации живых систем.

13.1. Клеточный уровень исследования живых систем

В середине XIX в. клетка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие атома неживых тел. Из клеток благодаря соответствующему принципу упорядоченности считались построенными все живые системы различного уровня сложности и организации. Такие идеи высказывал, например, один из создателей клеточной теории М. Шлейден (1804—1881). Другой выдающийся биолог, Э. Гек-кель (1834—1919), шел дальше и выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопических частей. Таким образом, в живой системе можно было выделить новый структурный уровень организации.

Эти идеи, опережавшие научные знания своей эпохи, встретили сопротивление, с одной стороны, последователей редукционизма, которые стремились свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, а с другой — защитников витализма. Они пытались объяснить специфику живых организмов наличием у них особой «жизненной силы». Пока не существовало развитых методов биологического исследования и сколь-нибудь ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некой таинственной «жизненной силы», которая отличает живое от неживого. Однако такое определение оставалось чисто отрицательным, ибо не раскрывало ни подлинной причины, ни механизмов отличия живого от неживого.

Если первые виталисты ограничивались простой констатацией различия между живым и неживым, то их последователи использовали недостатки и ограниченность физико-химических представлений

о жизни для подкрепления своей позиции. Наиболее интересной в этом отношении представляется попытка немецкого биолога и философа X. Дриша (1867— 1941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых систем. Основываясь на своих опытах по регенерации морских ежей, которые восстанавливают удаленные у них части тел, Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой способностью к целесообразным действиям по сохранению и поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую он назвал энтелехией. По сути дела, энтелехия ничем не отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя в духе своего времени (XX в.) Дриш вводит градации и различные ее степени для разных живых организмов. На упреки, что энтелехию невозможно установить никакими эмпирическими методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть непосредственно, но физики используют ее для объяснения. На этом примере можно убедиться, как иногда используются понятия о ненаблюдаемых объектах (электромагнитное, гравитационное и другие поля) для защиты ненаучных взглядов.

Несмотря на эти философские дискуссии между редукционистами и виталистами, ученые-экспериментаторы пытались конкретно выяснить, от каких именно структур зависят специфические свойства живых организмов, и поэтому продолжали исследовать их не только на уровне клетки, но также и клеточных структур.

В первую очередь ученые исследовали структуру белков и выяснили, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями. Хотя в состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом.

Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются лево-вращающими изомерами, т.е. способными вращать плоскость поляризации света влево, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения. Обе формы таких изомеров почти одинаковы между собой и различаются только пространственной конфигурацией. Поэтому каждая из молекул аминокислот является зеркальным отображением другой. Впервые это явление открыл выдающийся французский ученый Л. Пастер, исследуя строение веществ биологического происхождения. Он обнаружил, что такие вещества способны вращать поляризованный луч и поэтому являются оптически актив-

ными, вследствие чего были впоследствии названы оптическими изомерами. В отличие от этого у молекул неорганических веществ эта способность отсутствует, и построены они совершенно симметрично.

На основе своих опытов Пастер высказал мысль, что важнейшим свойством всей живой материи является их молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опираясь на эту аналогию, в современной науке данное свойство называют молекулярной хиральностью.

На вопрос, почему именно живая природа выбрала белковые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения, до сих пор нет убедительного ответа. Сам Пастер считал, что поскольку живое возникает из неживого, то необходимым предварительным условием для этого процесса должно стать превращение симметричных неорганических молекул в молекулы асимметричные. По его предположению, такое превращение могло быть вызвано асимметричностью космоса или же различными космическими факторами, в частности геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими разрядами и т.п. Попытки экспериментально проверить эту гипотезу не увенчались успехом. Поэтому высказывались предположения и о чисто случайном характере возникновения первых живых молекулярных систем, образованных из аминокислот левого вращения. В дальнейшем эта особенность могла быть передана по наследству и закрепиться как неотъемлемое свойство всех живых систем.

13.2. Молекулярно-генетический уровень живых структур

Наряду с изучением структуры белка весьма интенсивно, в особенности в последние полвека, изучались также механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Ведь наряду с процессами метаболизма, или обмена обществ, живые системы характеризуются также воспроизводимостью, т.е. способностью к размножению и оставлению потомства. Особенно остро этот вопрос встал перед биологами при определении границы между живым и неживым. Большие споры возникли в связи с этим вокруг природы вирусов, которые обладают способностью к самовоспроизводству, но не в состоянии осуществлять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмениваться веществом, реагировать на внешние раздражители и т.п.

Если считать определяющим свойством живых существ обмен веществ, то вирусы, очевидно, нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать способность к воспроизводству, то их еле-

дует отнести к живым системам. Так естественно возникает вопрос, какие свойства или признаки характерны для живых систем? На него на различных исторических этапах развития естествознания ученые отвечали по-разному, в зависимости от достигнутого уровня знаний.

Как изменились наши представления о живых системах в связи с переходом на новый, молекулярный уровень исследования?

Долгое время в связи с изучением синтеза органических веществ основное внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим тогда казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно опираясь на это, Ф. Энгельс (1820—1895) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей литературе, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего уникального в химическом отношении.

В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Было установлено, что наследственное вещество в виде хромосом содержится в ядрах клеток. У человека насчитывается 23 пары хромосом, причем 22 пары являются одинаковыми у мужчин и у женщин, последняя же пара дает возможность определять пол. У женщин эта пара содержит одинаковые хромосомы, названные Х-хромосомами, а у мужчин — разные, т.е. X и Y.

В хромосомах содержится наследственное вещество, о существовании дискретных единиц которого писал в 1865 г. Г. Мендель, а В. Ио-гансен назвал это вещество геном. Однако и природа, и структура гена оставались нераскрытыми. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в другом — D-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или сокращенно ДНК, а второй — рибонуклеиновыми кислотами, или кратко РНК. Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем была расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, в синтезе белка и обмене веществ. Не вдаваясь в детали и специальную термино-

логию, кратко рассмотрим эти важнейшие для биологии и естествознания вопросы.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что вьшеленная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. До этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные свидетельства этого факта.

24 апреля 1953 г., в день, который стал решающим для развития молекулярной генетики, американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком была опубликована статья, раскрывающая структуру материального носителя наследственной информации — молекулы ДНК. Согласно предложенной ими модели, молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух ветвей, азотистые основания в которых попарно связаны непрочной водородной связью, так что пуриновое основание — аденин соединяется с пиримидиновым основанием — тимином, а также аналогично гуанин соединяется с цитозином.

Все химические реакции в клетке совершаются в соответствии с программой, закодированной в виде наследственной информации в молекулах ДНК и передаваемой от нее молекулам РНК. В живой клетке в процессе обмена веществ на молекулах ДНК синтезируется информационная РНК, которая переносится в рибосомы и служит матрицей для синтеза белков.

По современным воззрениям, ген представляет собой определенный участок молекулы ДНК вместе со специфическим набором нукле-отидов, в линейной последовательности которых записана генетическая информация. Каждый ген ответствен за синтез определенного белка или фермента. Контролируя процесс их образования, гены управляют всеми химическими реакциями организма и тем самым определяют его признаки.

Передача наследственных свойств организма от одного поколения другому достигается благодаря способности молекулы ДНК самокопироваться и самоудвоению хромосом при клеточном делении. Сам процесс воспроизводства складывается из трех стадий: репликации, транскрипции и трансляции. Совокупность генов организма образуют его генотип.

В 1960-х гг. французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функцио-

налъной активности все гены разделяются на «регуляторные», кодирующие структуру регуляторного белка, и «структурные гены», кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов.

Дальнейшими исследованиями была установлена непосредственная зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов (ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический аппарат микроорганизмов определенными физическими факторами (ультрафиолетовые, рентгеновские и другие лучи), то они перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в частности белки. Благодаря этим исследованиям было доказано, что одна из основных функций генов состоит в кодировании синтеза белков.

В связи с этим возник вопрос, каким образом осуществляется передача информации от ДНК к морфологическим структурам?

Согласно упомянутой выше модели Уотсона и Крика, наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: двух пуриновых и двух пиримидиновых. Между тем в белках содержится 20 аминокислот, и поэтому становится необходимым объяснить, как четырехбуквенная запись структуры ДНК может быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков. Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода дал известный физик-теоретик Г. Гамов, предположив, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя семь лет его гипотеза была блестяще подтверждена экспериментально, и тем самым был раскрыт механизм считки генетической информации.

Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетичес-ком уровне. Однако кроме переноса свойств от одного организма к другому существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические рекомбинации».

В одних случаях, называемых «классическими», они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, «неклассических» случаях рекомбинация сопровождается увеличением информации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся активными и поэтому могут соединиться с клеткой-реципиентом. Дальнейшее исследование «неклассических» форм генетических рекомбинаций привело к открытию целого ряда переносимых, или

«мигрирующих», генетических элементов. Важнейшими из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами, которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учеными высказано предположение, что «мигрирующие» генетические элементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации.

Все это не могло не поставить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне. Появление «теории нейтральных мутаций» еще больше обострило ситуацию, поскольку оно доказывает, что изменения в функциях аппарата, синтезирующего белок, являются результатом нейтральных, случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.

13.3. Онтогенетический уровень живых систем

Онтогенетическим называют индивидуальный уровень развития и считают, что этот уровень охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные живые организмы, а раньше чаще всего его рассматривали как включающий только многоклеточные организмы.

Сам термин «онтогенез» ввел в науку известный немецкий биолог Э. Геккель, автор знаменитого биогенетического закона, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез. Это означает, что отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода, т.е. филогенеза (от греч. — род).

Поскольку самостоятельной минимальной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В зависимости от характера структуры и функционирования все клетки можно разделить на два класса:

прокариоты — клетки, лишенные ядер;

эукариоты — клетки, появившиеся позднее и содержащие ядра.

При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса клеток обладают существенными различиями в структуре ифункционировании генетического аппарата, строении клеточных стенок и мембранных систем, характере механизмов синтеза белков и т.п.

В соответствии с тем, из каких клеток построены живые системы, их можно разделить на две обширные группы, или два живых царства.

К первому принадлежат многочисленные виды таких одноклеточных организмов, как бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и другие простейшие организмы. Все остальные одноклеточные, а также многоклеточные организмы, начиная от низших и кончая высшими, построены из возникших позднее эукариотных клеток. Эту классификацию пришлось, однако, пересмотреть после открытия архебактерий. Особенность архебактерий состоит в том, что их клетки в чем-то сходны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой — с эукариотами. На этом основании в настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, представляющих собой три линии развития живого мира: 1) прокариоты, или эубактерии; 2) эу-кариоты и 3) архебактерии.

По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой живой первичной минимальной системы, которую можно называть про-токлеткой. Предполагают, что она обладала всеми основными свойствами, которые являются характерными для живых организмов. К ним относят прежде всего способность обмениваться с окружающей средой — признак, присущий всем открытым системам. С этой способностью непосредственно связана способность протоклетки к метаболизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровождающихся усвоением необходимых для роста клетки веществ и удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее функционирование и развитие клетки предполагает также наличие у нее способности к делению и отпочкованию. К этим признакам многие исследователи добавляют дополнительные свойства, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была какой-то бесструктурной массой, а представляла собой достаточно организованную целостность, которую можно охарактеризовать как живую первичную систему. Предполагают также, что протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным свойствам не была подобна современным одноклеточным прокариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными свойствам эукариотных клеток.

По вопросу о происхождении эукариотных клеток существуют две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы считают, что такие клетки могли возникнуть путем дифференциации и усложнения слабоструктурированных клеточных образований, подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической гипотезы полагают, что эукариотные клетки образовались путем симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых внедрились в клетку-хозяина, причем, по одной версии, они способствовали постепенному превращению последней в эукариотную клетку, а по другой — она уже обладала некоторыми свойствами эукариотов.

Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне, о котором шла речь выше, нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ. Среди них особого внимания заслуживает исследование трофических, или пищевых, потребностей организмов. Для этого необходимо проследить взаимоотношения организмов с окружающей средой в рамках соответствующей экологической системы. Именно поэтому изучение структуры и основных типов питания уже давно привлекало внимание ученых. В ходе многочисленных длительных исследований были выделены прежде всего два главных типа питания.

К первому, автотрофному типу относились организмы, которые не нуждались в органической пище и могли жить либо за счет ассимиляцииуглекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному типу принадлежали все организмы, которые не могли жить без органической пищи.

По вопросу о том, какой тип питания возник в начале становления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые не без основания полагают, что сначала появился автотрофный тип, поскольку сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того, как автотрофные организмы создали для этого необходимые условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное питание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в частности, придерживается в своей гипотезе происхождения жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития.

Простая первоначальная классификация основных типов питания и соответственно организмов на автотрофы и гиперотрофы в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых выявлялись такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота и водорода; зависимость от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических потребностей организмов свидетельствует о необходимости целостного, системного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом уровне.

Целостность, взаимосвязь и взаимодействие выступают в общейформе функциональной системности, которая находит выражение в согласованном функционировании различных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов.

При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении всех процессов жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная системность в специфических формах выступает и на других уровнях организации живых организмов. Она является конкретным воплощением системного характера организации живой природы на всех ее уровнях, которая может лишь возрастать и усиливаться в зависимости от места, занимаемого организмом на эволюционной лестнице развития природы.

13.4. Уровни организации живых систем

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Его называют также организменным уровнем, поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного организма без учета его связей и взаимодействий с другими организмами. Поскольку живой минимальной системой служит клетка, постольку на этом уровне уделяется такое большое внимание анализу структуры и функционирования различных клеточных образований. При переходе к популяциям все внимание сосредоточивается на изучении совокупности или, точнее, системы взаимодействующих отдельных организмов. Если клетки и их структуры изучаются на молекулярном и микробиологическом уровне, то популяции становятся доступными для непосредственного наблюдения.

Популящонный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или системы, живых организмов составляют определенную популяцию. Очевидно, что популящонный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Приведенное общее определение популяции дает возможность отличать организменный уровень живого от уровня надорганизменно-го. Сам термин «популяция» (от фр. — население) был введен одним из основателей генетики — В. Иогансоном (1857—1927), который с его помощью обозначал генетически неоднородную совокупность организмов в отличие от однородной, называемой им «чистой линией».

В дальнейшем этот термин и обозначаемое им понятие приобрели более глубокий смысл. Многие современные ученые характеризуют популяцию не столько как простую совокупность отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в которой они непрерывно

взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Благодаря этому они оказываются способными к трансформациям, изменению своего ареала и, самое главное, к развитию.

Популяции представляют собой первый надорганизменный уровень организации живых существ. Хотя он тесно связан с онтогенетическим и молекулярным уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих компонентов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами.

Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.).

Для его обозначения академик В.Н. Сукачев (1880—1967) ввел термин биогеоценоз.

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и называется биосферой.

Таким образом, в функционировании и развитии живой природы особенно наглядно и убедительно выступает ее целостность и системность, которая проявляется в существовании различных иерархических уровней ее организации. При этом каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и закономерностями, несводимыми к закономерностям прежнего, низшего уровня.

Поскольку основу надорганизменных уровней организации живого составляют популяции, целесообразно остановиться на характеристике их несколько подробнее.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки, называемая популяционной биологией. Одна из основных проблем, которую она призвана решить, заключается в установлении пространственной структуры и объемов популяций. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в силу подвижности элементов популяции, т.е. составляющих ее организмов, происходит непрерывное перемешивание популяций. Другая трудность заключается в на-

208

линии внутри популяций различных группировок и даже существовании популяций разных рангов.

В рамках популяционной биологии исследуются также весьма важные проблемы метаболического взаимодействия между популяциями и биоценозами, которые относятся прежде всего к изучению их трофических, или пищевых, связей. Именно на этой основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно состоит в том, что популяции представляют собой незамкнутые, открытые метаболические системы, которые могут существовать и развиваться только при взаимодействии с другими популяциями. В отличие от них биоценозы — относительно замкнутые метаболические системы, в которых обмен и круговорот веществ может осуществляться в рамках входящих в биоценоз популяций. Однако эта замкнутость имеет ограниченный и относительный характер, хотя бы потому, что разные биоценозы также взаимодействуют.

Для характеристики трофического взаимодействия популяций и биоценозов существенное значение имеет общее правило, согласно которому чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого надорганизменного уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия составляющих живую систему элементов.

Поскольку популяции, как отмечалось выше, являются элементарными единицами эволюции, то необходимо также рассмотреть и эту их характерную особенность, но мы отложим данный вопрос до освещения общих проблем эволюции. В следующей главе перейдем к анализу биосферного уровня организации живого.

 

Основные понятия и вопросы  
Аминокислоты Мембрана
Белок Метаболизм
Биоценоз Молекулярный уровень
Вирус Мутации
Витализм Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК)
Генетическая информация Прокариоты
Геном Редукционизм
Живая структура Хиральность
Классификация Эукариоты
Клетка  

1. В чем состоят характерные особенности описательной биологии?

2. Как пытались объяснить процессы жизнедеятельности сторонники механицизма и редукционизма?

3. В чем заключается ошибочность витализма в биологии?

4. Какую роль играют аминокислоты в живом организме?

5. Чем отличается молекулярная структура живых систем от неживых?

6. Что называют молекулярной хиральностыо, и кто открыл ее?

7. Можно ли отнести вирусы к живым организмам?

8. Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности и как был расшифрован генетический код?

9. Какой уровень организации живых систем называется онтогенетическим?

 

10. Чем отличаются прокариоты от эукариотов?

11. Какие гипотезы существуют о происхождении эукариотов?

12. Какие основные способы питания существуют в живой природе?

13. Какой уровень организации называется популяционным и чем он отличается от уровня онтогенетического?

14. В чем состоит разница между биоценозами и биогеоценозами?

15. Какое воздействие сложность трофических связей оказывает на устойчивость и жизнеспособность живых систем?

Литература

Основная:

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М., 1986.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Глобальный эволюционизм. М., 1994.

Заренков Н.А. Теоретическая биология. М., 1988.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

14-925

Глава 14

megaobuchalka.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о