К числу закономерностей, совокупность которых характеризует жизнь, относятся:
• самообновление, связанное с потоком вещества и энергии;
• самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации;
• саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.
Перечисленные закономерности обусловливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое развитие.
2.
Обмен веществ и энергии
Характеризуя явление жизни, Ф. Энгельс писал: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».
Важно отметить, что обмен веществ может иметь место и между телами неживой природы . Однако обмен веществ как свойство живого качественно отличается от обменных процессов в неживых телах. Для того чтобы показать эти отличия, рассмотрим ряд примеров.
Горящий кусок угля находится в состоянии обмена с окружающей природой: происходит включение кислорода в химическую реакцию и выделение углекислого газа. Образование ржавчины на поверхности железного предмета является следствие обмена со средой. Но в результате этих процессов неживые тела перестают быть тем, чем они были. Наоборот, для тел живой природы обмен с окружающей средой является условием их существования. В живых организмах обмен веществ приводит к восстановлению разрушенных компонентов, замене их новыми, подобными им, т. е. к самообновлению и самовоспроизведению , построению тела живого организма за счет усвоения веществ из окружающей среды.
Из сказанного следует, что организмы существуют как открытые системы. Через каждый организм идут непрерывные потоки вещества и энергии. Осуществление этих процессов обусловлено свойствами белков, особенно их каталитической активностью.
3.
Места обитания микроорганизмов
Благодаря тому, что организмы – открытые системы, они находятся в единстве со средой , а физические, химические и биологические свойства окружающей среды обусловливают осуществление всех процессов жизнедеятельности. Каждый вид организмов приспособлен к обитанию лишь в определенных условиях. Это те условия, в которых происходило развитие данного вида, к которым он приспособился. Одни виды обитают только в воде, другие – на суше, одни – лишь в полярных широтах, другие – в экваториальном поясе, различные организмы приспособлены к обитанию в степях, пустынях, лесах, глубинах океанов или на вершинах гор. Немало таких, для которых средой обитания служат другие организмы (их кишечник, мышцы, кровь и т. д.).
4.
Изменение окружающей среды
Не только организмы зависят от среды, но и сама окружающая среда изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Первобытный облик нашей планеты значительно изменился под воздействием организмов: она приобрела атмосферу со свободным кислородом и почвенный покров. Из свободного кислорода образовался озон, препятствующий проникновению ультрафиолетового излучения к поверхности Земли; так возник «озоновый экран», обеспечивающий существование жизни на поверхности суши. Из зеленых растений, накопивших в себе солнечную энергию в прошлые геологические эпохи, сформировались огромные запасы богатых энергией горных пород, таких как уголь и торф. Органическое происхождение имеют известняки, мел и многие другие минералы. Растительный покров влияет на климат, древесная растительность делает его более мягким, уменьшает колебания температуры и других метеорологических факторов. Влияние неживой природы на организмы и организмов на неживые тела указывает на единство всей природы.
Вопрос 6. Раздражимость
1.
Раздражимость – свойство всех тел природы
Эта неотъемлемая черта, свойственная всему живому, является выражением одного из общих свойств всех тел природы – свойства отражения . Она связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе (организм, орган, клетка) и проявляется реакциями этих систем на внешнее воздействие. Благодаря этому свойству достигается равновесие организмов с внешней средой: организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды, способны извлекать из нее все необходимое для своего существования, а следовательно, с ним связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации. Свойство раздражимости связано с химическим строением самого субстрата жизни.
2.
Саморегуляция
Получение необходимой информации обеспечивает в биологических системах саморегуляцию. Саморегуляция осуществляется в организмах по принципу обратной связи.
Продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составляют начальное звено в длинной цепи реакций. По принципу обратной связи регулируются процессы обмена веществ, репродукции, считывания наследственной информации, а следовательно, проявление наследственных свойств в индивидуальном развитии и т. д.
Саморегуляцией в организмах поддерживается постоянство структурной организации – гомеостаз (греч. gomos – равный, неизменный, stasis — состояние). Организмам свойственно постоянство химического состава, физико-химических особенностей. Для всех живых существ характерно наличие механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды.
3.
Определенная упорядоченность жизнедеятельности микроорганизмов
Структурная организация в широком смысле, т. е. определенная упорядоченность, обнаруживается не только при исследовании жизнедеятельности отдельных организмов. Организмы различных видов, связанные друг с другом средой обитания, составляют биоценозы (исторически сложившиеся сообщества). В биоценозах в результате обмена веществ, энергии и информации между организмами и окружающей их неживой природой также поддерживается определенный биогенетический гомеостаз: постоянство видового состава и числа особей каждого вида.
4.
Адаптация живых организмов
Биологическим системам на различных уровнях организации свойственна адаптация . Под адаптацией (лат. adapto – приспособляю) понимается приспособление живого к непрерывно меняющимся условия среды. В основе адаптации лежат явления раздражимости и характерные для нее адекватные ответные реакции. Адаптация вырабатывалась в процессе эволюции как следствие выживания наиболее приспособленных. Без адаптации невозможно поддержание нормального существования.
Вопрос 7. Репродукция. Наследственность и изменчивость
1.
Репродукция – поддержание жизни
В связи с тем, что жизнь существует в виде отдельных (дискретных) биологических систем (клетки, организмы и др.), а существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поддержание жизни на любом уровне связано с репродукцией. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно престанет существовать, но благодаря репродукции (размножению) жизнь вида не прекращается. Размножение всех видов, населяющих Землю, поддерживает существование биосферы. Самовоспроизведение на молекулярном уровне обусловливает особенности обмена веществ живых организмов по сравнению с неживыми телами.
Репродукция на молекулярном уровне осуществляется на основе матричного синтеза. Принцип матричного синтеза заключается в том, что новые молекулы синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул. Матричный синтез лежит в основе образования молекул белков и нуклеиновых кислот.
2.
Передача наследственной информации
Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией (авторепродукцией) жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Хранение и передача наследственной информации осуществляется нуклеиновыми кислотами. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, обеспечивающие приспособление организмов к среде обитания.
3.
Свойство противоположное наследственности
Изменчивостью называется свойство , противоположное наследственности, связанное с появлением новых признаков, отличных от уже имеющихся. Если бы при репродукции всегда проявлялась только преемственность свойств и признаков, то эволюция органического мира была бы невозможна. Но живой природе свойственна изменчивость. В первую очередь она связана с «ошибками» при репродукции. По-иному построенные молекулы нуклеиновой кислоты несут новую наследственную информацию. Эта новая измененная информация в большинстве случаев бывает вредной для организма, но в ряде случаев в результате изменчивости организм приобретает новые свойства, которые могут оказаться полезными в данных конкретных условиях. Новые признаки подхватываются и закрепляются отбором. Таким образом, наследственная изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции, а тем самым – и существования жизни.
Вопрос 8. Индивидуальное развитие
1.
Генетическая информация
Организмы, появляющиеся в результате репродукции, наследуют не готовые признаки, а определенную генетическую информацию , возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуального развития. Индивидуальное развитие выражается, как правило, в увеличении массы (рост), что, в свою очередь, базируется на репродукции молекул, клеток и других биологических структур, а также находит отражение в дифференцировке, т. е. появление различий в структуре, усложнении функций и т. д.
2.
Физиологическое развитие
Физиологическое развитие, основные закономерности которого установлены Ч. Дарвином, базируется на наследственной изменчивости, борьбе за существование и отборе. Действие этих факторов привело к огромному разнообразию форм жизни, приспособленных к среде обитания. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней: доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняющихся многоклеточных. Наконец, появился человек – существо, в котором, по выражению Ф. Энгельса, «природа приходит к осознанию самой себя». Однако вместе с человеком появилась новая форма существования материи – социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек, в отличие от всех других существ, представляет собой биосоциальный организм.
Вопрос 9. Неклеточные формы жизни
1.
Характеристика вирусов
Во всем многообразии организмов можно выделить две резко различные группы – неклеточные и клеточные формы жизни. К неклеточным формам жизни относятся вирусы . Вирусы проявляют жизнедеятельность только в стадии внутриклеточного паразитизма. Благодаря своей незначительной величине вирусы могут проходить через любые фильтры, в том числе каолиновые, имеющие наиболее мелкие поры, поэтому первоначально они назывались фильтрующимися вирусами . Существование вирусов было доказано русским ботаником Д.И. Ивановским в 1892 г., но увидеть их удалось лишь намного позже. Большинство вирусов имеют субмикроскопические размеры, поэтому для изучения их строения пользуются электронным микроскопом. Наиболее мелкие вирусы, например возбудитель ящура, немногим превышают молекулу яичного белка, но встречаются и крупные вирусы, такие как возбудитель оспы, которые видны в световой микроскоп.
2.
Вироспоры
Зрелые частицы вирусов – вирионы, или вироспоры, состоят из белковой оболочки и нуклеокапсида, в котором сосредоточен генетический материал. Он представлен нуклеиновой кислотой. Одни вирусы содержат дезоксирибонуклеиновую (ДНК), другие – рибонуклеиновую кислоту (РНК). На стадии вироспоры никакие проявления жизни не обнаруживаются. В связи с этим в науке нет единого мнения о том, можно ли вирусы на этой стадии считать живыми. Некоторые из вирусов могут кристаллизоваться наподобие неживого вещества, но, проникая в клетки чувствительных к ним организмов, проявляет все признаки живого. Таким образом, вирусы представляют собой своего рода мост, связывающий в единое целое мир организмов с неживым органическим веществом. Вироспора – лишь одна из стадий существования вируса. Далее в жизненном цикле вирусов можно выделить следующие этапы: прикрепление вируса к клетке, внедрение в нее, латентная стадия, образование нового поколения вирусов, выход вироспор. В период латентной стадии вирус как бы исчезает. Его не удастся выделить из клетки, но в этот период вся клетка синтезирует необходимые для вируса белки и нуклеиновые кислоты, в результате чего образуется новое поколение вироспор.
3.
Вирусные заболевания
Описаны сотни вирусов, вызывающих заболевания у растений, животных и человека. К числу вирусных заболеваний человека относятся бешенство, оспа, весенне-летний клещевой энцефалит, грипп, эпидемический паротит, инфекционная желтуха, корь, бородавки и др. Группа вирусов, приспособившаяся к паразитированию в теле бактерий и вне этих клеток не проявляющая свойств жизни, получила название фагов. По своему строению фаги сложнее вирусов, паразитирующих в клетках растений и животных. Многие фаги имеют головастикообразную форму, состоят из головки и хвоста. Внутреннее содержание фага – это преимущественно ДНК, а белковый компонент сосредоточен в основном в так называемой оболочке.
Фаги , проникая в определенные виды бактерий, размножаются и вызывают растворение (лизис) бактериальной клетки. В связи с этим они используются с профилактической и лечебной целью, например, против возбудителей холеры, брюшного тифа и др. Иногда проникновение фагов в клетку не сопровождается лизисом бактерии, а ДНК фага включается в наследственные структуры бактерии и передается ее потомкам. Это может продолжаться на протяжении многих поколений потомков бактериальной клетки, воспринявшей фаг. Такие бактерии получили название лизогенных. Под влиянием внешних факторов, особенно лучистой энергии, фаг в лизогенных бактериях начинает проявлять себя, и бактерии подвергаются лизису. Эта особенность лизогенных бактерий сделала их обязательными «пассажирами» космических кораблей, где они служат индикатором проникновения космической радиации в кабину корабля. Их используют также для изучения явлений наследственности.
Вопрос 10. Клеточные формы жизни
1.
Категория организмов имеющих клеточное строение
Основную массу живых существ составляют организмы, обладающие клеточной структурой. В процессе эволюции органического мира клетка оказалась единственной элементарной системой, в которой возможно проявление всех закономерностей, характеризующих жизнь.
Организмы, имеющие клеточное строение , в свою очередь делятся на две категории: не имеющие типичного ядра – доядерные, или прокариоты , и обладающие типичным ядром – ядерные, или эукариоты. К прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли, к эукариотам – все остальные растения и все животные. В настоящее время установлено, что различия между прокариотами и эукариотами гораздо более существенны, чем между высшими растениями и животными.
2.
Доядерные организмы
Прокариоты – доядерные организмы , не имеющие типичного ядра, заключенного в ядерную мембрану. Генетический материал находится у них в нуклеоиде и представлен единственной нитью ДНК, образующей замкнутое кольцо. Эта нить не приобрела еще сложного строения, характерного для хромосом, и называется гонофором.
Деление клетки только амитотическое. В клетке прокариот отсутствуют митохондрии, центриоли и пластиды.
3.
Микоплазмы
Из организмов, имеющих клеточное строение, наиболее примитивны микоплазмы . Это бактериоподобные существа, ведущие паразитический или сапрофитный образ жизни. По размерам микоплазмы приближается к вирусам. Самые мелкие клетки микоплазм крупнее вируса гриппа, но мельче вируса коровьей оспы. Так, если вирус гриппа имеет диаметр от 0,08 до 0,1 мкм, а вирус коровьей оспы – от 0,22 до 0,26 мкм, то диаметр микоплазмы – возбудителя повального воспаления легких рогатого скота – колеблется от 0,1 до 0,2 мкм.
В отличие от вирусов, осуществляющих процессы жизнедеятельности только после проникновения внутрь клетки, микоплазма способна проявлять жизнедеятельность, свойственную организмам, имеющим клеточное строение . Эти бактериоподобные формы могут расти и размножаться на синтетической среде. Их клетка построена из сравнительно небольшого числа молекул (около 1200), но имеет полный набор макромолекул, характерных для любых клеток (белки, ДНК и РНК). Клетка микоплазмы содержит около 300 различных ферментов.
По некоторым признакам клетки микоплазм стоят ближе к клеткам животных, чем растений. Они не имеют жесткой оболочки, окружены гибкой мембраной; состав липидов близок к таковому в клетках животных.
Как уже было сказано, к прокариотам относятся бактерии и синезеленые водоросли, объединяемые общим термином «дробянки». Клетка типичных дробянок покрыта оболочкой из целлюлозы. Дробянки играют существенную роль в круговороте веществ в природе: синезеленые водоросли – как синтезаторы органического вещества, бактерии – как его минерализаторы. Многие бактерии имеют медицинское и ветеринарное значение как возбудители инфекционных заболеваний.
4.
Ядерные организмы
Эукариоты – ядерные организмы, имеющие ядро, окруженное ядерной мембраной. Генетический материал сосредоточен преимущественно в хромосомах, имеющих сложное строение и состоящих из нитей ДНК и белковых молекул. Деление клеток митотические. Имеются центриоли, митохондрии, пластиды. Среди эукариот существуют как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.
Эукариоты принято делить на два царства – растения и животные. Растения по ряду признаков отличаются от животных. У большинства растений тип питания автотрофный, для животных же характерен гетеротрофный тип питания. Однако провести четкую грань между всеми растениями и всеми животными не удается.
В настоящее время все больше биологов приходят к выводу о необходимости разделения эукариот на три царства – животных, грибов и растений. Эти новые предоставления не являются общепринятыми, но не лишены оснований.
Животные являются первично гетеротрофными организмами. Их клетки лишены плотной наружной оболочки. Обычно это подвижные организмы, но могут быть и прикрепленными. Запасные углеводы откладываются в виде гликогена.
Грибы также являются первично гетеротрофными организмами. Их клетки имеют хорошо выраженную оболочку, состоящую их хитина, реже из целлюлозы. Обычно являются прикрепленными организмами. Запасные углеводы откладываются в виде гликогена.
Растения – это автотрофные организмы, иногда вторичные гетеротрофы. Их клетки обладают плотной стенкой, состоящей обычно из целлюлозы, реже – из хитина. Запасные вещества откладываются в виде крахмала.
Существование биосферы , круговорот веществ в природе связаны примитивные эукариоты – одноклеточные. Но в процессе эволюции развились многоклеточные растения, грибы и животные. Среди автотрофных организмов эволюция наивысшей степени достигла в типе покрытосеменных растений. Вершину эволюции гетеротрофных организмов составляет тип хордовых.
Вопрос 11. Учение об организации живого
1.
Диалектическое единство мира
Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна (лат. discretus – прерывистый). Органический мир целостен, существование одних организмов зависит от других. В очень общей и упрощенной форме это можно представить так. Животные-хищники для своего питания нуждаются в существовании растительноядных, а последние – в существовании растений.
Растения в процессе фотосинтеза поглощают из атмосферы СО2, выделение которого в атмосферу связано с жизнедеятельностью живых организмов. Кроме того, растения из почвы получают ряд минеральных веществ, количество которых не истощается благодаря размножению органических веществ, осуществляемому бактериями и т. д.
2.
Целостность органического мира
Органический мир целостен , так как составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время дискретен. Он состоит из единиц – организмов, или особей. Каждый живой организм дискретен, так как состоит из органов, тканей, клеток, но вместо с тем каждой из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого.
Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Хранение и передача наследственной информации осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развития признаков и т. д. Жизнь связана с молекулами белков и нуклеиновых кислот, но только их единство, целостная система обусловливает существование живого.
3.
Уровни организации органического мира
С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира.
В середине ХХ в. в биологии сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одной из основных свойств живого.
Живое на нашей планете представлено в виде дискретных единиц – организмов, или особей. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц, подчиненных ему уровней организации, с другой – сам является единицей, входящей в состав надорганизменных биологических микросистем (популяции, биоценоза, биосферы в целом).
4.
