Основы функционирования энергетики живого 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Основы функционирования энергетики живого



 

Все функции живых систем, требующие расходования энергии, должны обеспечиваться ею от некоторых внешних источников. Часть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ (из углекислого газа и воды под действием солнечного све­та — такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окис­ления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называ­ют автотрофами. Большинство автотрофов — это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезиро­ванных автотрофами.

Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофа­ми, обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность (негэнтропию) из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается путем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения солнца.

Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой системы с внешней средой, состоит в поддержании определен­ного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обус­ловленному необратимыми процессами в живой системе.

Между двумя типами организмов — авто- и гетеротрофами — су­ществует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растения­ми, передается через травоядных к хищникам; заключительным зве­ном пищевой цепочки являются микробы, перерабатывающие веще­ство отмерших организмов в неорганические вещества. В последую­щем зги молекулы вновь могут участвовать в образовании живых си­стем. В итоге в биосфере сформировался глобальный круговорот веществ, который обусловлен так называемыми биогеохимнчески-Ми Циклами. Основными являются циклы обращения в биосфере ВоДы, а также элементов, из которых состоят живые системы.

Первоисточником энергетического потока, проходящего сквозь все пищевые цепочки в биосфере, служит энергия сол­нечного электромагнитного излучения, попадающая на поверхность емли в видимом диапазоне (свет). Финалом преобразований в пище?

 

вых цепочках является освобождение энергии в виде тепла при пере­работке микробами органических остатков. Вся высвободившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия возвращается повер­хностью Земли в мировое пространство главным образом в виде электромагнитного излучения инфракрасного диапазона.

В глобальном энергетическом балансе принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излуче­ния меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, пере­излучаемого нашей планетой. За счет этой отрицательной разно­сти энтропии на поверхности Земли возможно образование и под­держание упорядоченных структур (как это происходит и во многих других природных системах). Вся биосфера Земли представляет со­бой высокоорганизованную систему, упорядоченность в которой под­держивается за счет отрицательного энтропийного баланса.

Особенности термодинамики, 1 самоорганизации и информационного обмена в живых системах

Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Элементы живого организма (да и всех живых систем вообще) постоянно разрушаются и строятся вновь. Этот про­цесс носит название биологического обновления. Для его обеспе­чения требуется непре-кращающийся приток извне вещества и энер­гии, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохими­ческих процессов, включая тепло. Таким образом, любые функцио­нирующие организмы обязательно являются неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Если система дале­ка от термодинамического равновесия и содержит множество флук­туирующих подсистем {т. е. случайных отклонений от некоторого сред­него положения), то она является также неравновесной. Если усло-•вия существования системы неизменны, то потоки вещества и энергии постоянны. В этом случае неравновесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динами­ческим равновесием).

Подобно тому, как в термодинамике равновесных систем особым состоянием является равновесное состояние, в термодинамике нерав­новесных систем особую роль играют стационарные состояния. Для

 

живых систем, которые всегда неравновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает следующее:

1) в течение времени жизни системы ее элементы постоянно под­вергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии (мерой хаоса);

2) для компенсации возникающей в результате распада неупоря­доченности в системе совершается работа в форме процессов синте за элементов взамен распавшихся; эта работа обусловливает отрица­тельную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.

«Быть живым значит быть организованным» — говорил В.И. Вер­надский.

Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыс­лить факт наличия высокой организации в живых системах. Но меха­низм поддержания такой упорядоченности можно раскрыть, лишь привлекая представления теории управления и кибернетики (на­уки об управлении и передаче информации в машинах, живых орга­низмах и социальных структурах).

В живой системе реализуется механизм самоуправления и са­моорганизации на основе непрерывного обмена информацией с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим организмом ре­акций, направленных на максимальное его приспособление к изменя­ющимся условиям. Самоорганизация — это процесс создания, под­держания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне. Самоорганизация и самоуправление в жи­вой системе невозможны без информационных связей между ее элементами, осуществляемыми через механизм управления.

Процесс самоорганизации имеет три основных характеристики: гомеостаз (поддержание параметров внутренней среды), обратная связь и информация.

Положительные обратные связи играют роль «усилителей» про­цессов жизнедеятельности. Такого рода связь существует между нео­граниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида животных и их численностью. Наличие одной лишь такой связи привело бы к постоянному росту численности данного вида. Отрицательные об­ратные связи, наоборот, служат для поддержания стабильной ситуа­ции в живой системе. Они обеспечивают, например, оптимальную чис­ленность популяций в биоценозе, стабильную температуру организма и т.д.

Информационные связи в организме осуществляются по несколь­ким каналам. Гормональная связь носит химический характер. Гор­мон — химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стиму-

[7[ Роль генетического материала в воспроизводстве...

лятора определенных процессов в организме; с кровотоком поступа­ет во все сферы организма, но действует избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волок­нам информационных импульсов, подключающих необходимые орга­ны к переработке и восприятию информации. Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяцион-но-видовом уровне и осуществляется посредством генов.

Роль генетического мвтериала в воспроизводстве и эволюции живых организмов

Генный механизм передачи наследственной информации изучает­ся генетикой. Успехи генетики обусловили раскрытие механизма вос­производства и эволюции жизни на молекулярном уровне. Истоком генетики считают открытие Г. Менделем в 1865 г. корпускулярной природы наследственности. В 1909 г. В. Иогансен ввел основопола­гающие термины генетики (ген, генотип и др.) и придал модели Мен­деля четкую форму. В то время понятие «ген» не связывалось с каким-то материальным объектом клетки; ген обозначал просто еди­ницу наследственного отличия. Отождествление гена с частью хро­мосом было осуществлено позже американским биологом Т. Морга­ном. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую приро­ду генов как части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых образует генетический код. Расшифровка структуры генетического кода показала его трип-летность, однозначность и универсальность. Триплетность кода означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последователь­но — кодоном — из трех нуклеотидов. Универсальность означает, что код един для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организ­мов.

Свои функции система воспроизведения осуществляет по­средством ДНК и РНК. Первая хранит генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них белковые молекулы.

 

Роль генетического материала в воспроизводстве...

Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транс­крипции, трансляции. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция пред­ставляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочеч-ной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная молекула РНК — это копия части ДНК, группы ря­дом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необ­ходимых для выполнения одной функции. Далее происходит транс­ляция — синтез белка на основе генетического кода информацион­ной РНК.

Таким образом, главное в механизме само-воспроизведения кле­ток — свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деле­ние репродуцированных хромосом. После этого клетка может де­литься на две совершенно идентичные. Так как каждая клетка много­клеточного организма происходит от одной из зародышевой как ре­зультат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.

В настоящее время перед наукой открылась возможность вли­ять на саму наследственность на молекулярном уровне. Эту воз­можность реализует новое направление молекулярной биологии — генная инженерия, разрабатывающая методики целенаправлен­ного манипулирования информационными макромолекулами жи­вых систем.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, за­тем интерферон, потом гормон роста. Позже, благодаря вмешатель­ству в конструкцию ДНК, были изменены качества десятков пород животных и сортов растений, многие из которых внедрены в сельско­хозяйственное производство.

С помощью генетической экспертизы можно с чрезвычайно вы­сокой точностью устанавливать родство конкретных людей, выпол­нять идентификацию останков погибших людей. Эти возможности на­ходят широкое применение в повседневной юридической практике.

Сразу же после своего возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных направлений прикладной био­логии, но также источником совершенно новых и глубоких этических, моральных и юридических проблем.

Одним из ярких примеров такого рода проблем является вопрос о морально-этической оценке опытов по так называемому клони­рованию (созданию точной генетической копии) живых организ­мов.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-08; просмотров: 298; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 52.91.67.23 (0.031 с.)