Живых организмов и живых систем

Из известных к настоящему времени 108 химических элементов лишь немногие входят в состав живых организмов. В первую очередь это макроэлементы, имеющиеся в больших количествах в природе и необходимые для всех биологических объектов: Н, С, О, N, S, Р, Са, Mg, К, Fe, а для животных еще и Na и С1. В меньшей степени для жизнедеятельности организмов используются микроэлементы Си, Mn, Zn, Mo, Со, а также F, J, Se (для животных) и В (для растений).

В количественном отношении первое место среди химических соединений занимает вода (в организме человека ее около 60%, а у медузы - более 96%). Вода служит растворителем, средством внутреннего транспорта и средой для большинства процессов обмена веществ. Значительная часть остальных неорганических компонентов находится в водном растворе.

Число органических соединений, состоящих главным образом из С, Н, О, N, S и Р, в живых организмах чрезвычайно велико. Они принадлежат в основном к четырем классам — белкам, нуклеиновым кислотам, углеводам и липидам (или жирам). У животных количественно преобладают белки, у растений - углеводы.

Рядом важных свойств и функций обладают белки: они участвуют в построении клеток и тканей, являются биологическими ферментами - катализаторами, гормонами, защитными веществами и проч. Белки участвуют в процессах трансформации энергии. Например, белки мышц реагируют с молекулами аденозинтрифосфорной кислоты и расщепляют в них богатую энергией химическую связь. Под воздействием высвобождающейся энергии происходит сокращение мышечного белка. Таким образом, химическая энергия при участии белков мышц превращается в энергию механическую - один вид энергии трансформируется в другой. Белки также могут служить источником энергии для клеток.

Если в организм животных и человека попадают вирусы или бактерии, то для защиты от них вырабатываются особые белки - антитела. Эти белки обезвреживают возбудителей болезней, задерживая их размножение в организме. Такой механизм сопротивления заболеваниям называется иммунитетом. Чтобы повысить иммунитет, в кровь вводят готовые антитела (вакцины), полученные от переболевшего животного или человека, т.е. от организма, в котором они уже выработаны. Белки составляют важную часть всех структур клеток и организмов. Кожа, мышцы, волосяной и шерстяной покров, эластичные стенки кровеносных сосудов и пр. представляют собой структуры, основу строения которых составляют белки. Нуклеиновые кислоты, как и белки, участвуют в процессах жизнедеятельности, а также в передаче наследственных признаков и в синтезе белков.

В жизни организмов большую роль играют углеводы, среди которых выделяются простые сахара (моносахара): глюкоза, фруктоза, галактоза. Они имеют одну химическую формулу (C₆H₁₂O₆) и отличаются только пространственной структурой молекулы. Глюкоза и фруктоза содержатся в составе фруктов и ягод. Галактоза входит в состав молочного сахара - лактозы. Молекулы глюкозы под действием ферментов могут соединяться в длинные и разветвленные полимерные цепочки - полисахариды - крахмал и гликоген. Крахмал является формой хранения запаса питательных веществ в растительных клетках. Из-за высокого содержания крахмала в пшенице, кукурузе, рисе, картофеле эти сельскохозяйственные культуры получили широкое распространение на нашей планете и являются важнейшими продуктами питания в большинстве стран. В клетках животных и человека накапливается гликоген. Этот полисахарид отличается от крахмала большей разветвленностью молекул. Особенно много гликогена содержится в клетках печени, а также в мышцах. Расщепление и окисление углеводов позволяет клетке получать химическую энергию.

Липиды (жиры) входят в клеточные структуры и клеточные мембраны, где, в соединении с белками, регулируют всасывание и выделение веществ клетками. Липиды, как и углеводы, являются для клеток источниками энергии и хранят запасы питательных веществ. В состав липидов входят глицерин и различные жирные кислоты. По мере необходимости липиды расщепляются ферментами, после чего жирные кислоты ступенчато окисляются, выделяя большое количество энергии. Конечными продуктами «горения» жиров являются углекислый газ и вода.

В состав клеток всегда входит небольшое количество разнообразных по составу органических веществ, регулирующих работу клетки, объединенных в группу под названием витамины. Эти жизненно важные соединения могут быть синтезированы только растениями и бактериями. В организм животных и человека они попадают с пищей. Большинство витаминов входит в состав белковой части ферментов. Сейчас известно более 20 витаминов, необходимых человеку. При отсутствии или недостатке какого-либо витамина нарушается работа определенных ферментов, ход биохимических реакций и нормальная жизнедеятельность клеток. Это приводит к заболеваниям (авитаминозам) и может даже вызвать гибель организма.

Живые организмы способны расти и развиваться, т. е. увеличиваться в размерах и массе, с сохранением (или появлением) в ходе процесса общих черт строения, свойственных взрослому, т. е. способному размножаться, индивидууму (особи).

Кроме того, живые организмы обладают сложной структурной организацией, в которой можно выделить молекулярный, субклеточный, клеточный, органотканевый и организменный уровни.

Молекулярный уровень организации отражает строение белков, их функции, роль нуклеиновых кислот в хранении и реализации генетической информации в процессах синтеза биологически важных соединений. На этом уровне организации ведутся основные исследования по биотехнологии и генной инженерии, поскольку многие свойства организма определяются именно этим уровнем.

Субклеточный, или надмолекулярный, уровень характеризует организацию, строение и функции различных клеточных структур - хромосом, митохондрий, рибосом и др. Каждая из этих клеточных структур во всех живых организмах несет свои, только ей присущие свойства для обеспечения жизнедеятельности клетки. Так, хромосомы отвечают за хранение и передачу наследственной информации (генетического кода); митохондрии снабжают клетку энергией для существования; хлоропласты, расположенные в растительных клетках и содержащие хлорофилл, превращают солнечную энергию в энергию химических связей; с участием рибосом происходит синтез белковых молекул, а специальные структуры — лизосомы содержат ферменты, расщепляющие биополимеры.

Клеточный уровень организации связан с морфологической организацией клетки, специализацией клеток в ходе развития организма, функциями клеточной мембраны, механизмами и регуляцией деления клеток. Исследования на этом уровне позволяют решать важнейшие проблемы медицины, в частности лечение онкологических заболеваний.

Органотканевый уровень организации отражает строение и функции отдельных органов и составляющих их тканей.

Организменный уровень связан с изучением особей и свойственных им, как целому, черт строения, механизмов адаптации (приспособления) и поведения.

Разделение живой материи по уровням организации хотя и отражает объективную реальность, но, в то же время, является условным. Например, проблемы эволюции или индивидуального развития следует рассматривать с учетом молекулярного, субклеточного, клеточного и органотканевого уровней. Представляя собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, все уровни организации объединены в единую биологическую систему. Эта биологическая система обладает свойствами целостности (т. е. свойства системы не сводятся к сумме свойств элементов), относительной устойчивости, а также способностью к адаптации по отношению к внешней среде, развитию, самовоспроизведению и эволюции.

Происхождение всех земных существ от общего корня подтверждается далеко идущими совпадениями в их фундаментальных особенностях. В природе часто встречаются родственные признаки у чрезвычайно далеких друг от друга организмов. Основные черты сходства эволюционного единства всех живых существ проявляются по многим направлениям. Так, все организмы имеют очень близкий химический состав, в котором углерод выступает важнейшим строительным элементом. Например, в глюкозе содержание углерода достигает более 30%. Белковые молекулы всех организмов построены из одних и тех же 20 аминокислот, в то время как в тканях живых существ встречается более 100 аминокислот, не входящих в состав белков. Тела практически всех организмов состоят из клеток (исключение составляют вирусы). Клетки животных и растений построены по единому плану. Подавляющее большинство организмов имеет клетки с клеточным ядром. Основная схема строения ядра едина для животных и растений. Деление таких клеток осуществляется единым, непрямым способом, при этом дочерние клетки получают такое количество хромосом, которое содержалось в материнской клетке. Образованию половых клеток у всех животных и растений предшествует процесс редукции (уменьшения в два раза) числа хромосом. Принципы построения генетического кода едины для всех организмов. А механизм копирования наследственной информации у всех живых существ реализуется с помощью удвоения молекул нуклеиновых кислот. Кроме того, основные вещества, отвечающие за дыхание (хлорофилл у растений и гемоглобин у животных), очень близки по химическому составу.

Все эти данные свидетельствуют о единстве происхождения животных и растений, а также о родстве всех живых организмов, произошедших от общих предков.