Тема 3.5. Особенности биологического уровня организации материи

O Основные понятия

Системность живого

Иерархическая организация живого: клетка – единица живого

Иерархическая организация природных биологических систем:

биополимеры – органеллы – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды

Иерархическая организация природных экологических систем:

особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) – биосфера)

Химический состав живого: элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы, их основная роль в живом

Химический состав живого: атом углерода – главный элемент живого, его уникальные особенности:

- способность атомов связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул

- способность связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обусловливают химическую активность органических соединений

Химический состав живого: вода, ее роль для живой природы:

- высокая полярность воды и как следствие – химическая активность и высокая растворяющая способность

- высокая теплоемкость воды, высокие теплоты испарения и плавления – основа для поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования тепла планеты

- аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах

- высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений

Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений – высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметрия живого

Хиральность молекул живого

Открытость живых систем

Обмен веществ и энергии

Самовоспроизведение

Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы

Каталитический характер химии живого

Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярная природа фермента

& Краткое содержание

Биология (от «биос» - жизнь, логос - слово, учение) – совокупность наук о живых системах.

Биология —учение о жизни. Предметом биологии является жизнь как особая форма движения материи (Философский словарь).

Что же такое жизнь? Определений этого понятия существует множество, но наиболее удачным в современной биологии является определение жизни, предложенное М.В. Волькенштейном: «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты».

Поясним некоторые слова в этом определении.

- Макроскопическая система – это система, состоящая из большого числа различных частиц (атомов, молекул).

- Гетерогенная живая система построена из множества различных веществ, которые не смешиваются друг с другом.

- Живые организмы – открытые системы, так как они обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Предметом биологии являются все проявления жизни:

· строение и функции живых существ и их природных сообществ;

· распространение, происхождение и развитие живых организмов и их сообществ;

· связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.

Задача биологии состоит в изучении всех биологических закономерностей и в раскрытии сущности жизни и ее проявлений с целью познания и управления ими.

Основные признаки жизни

Одной из самых сокровенных тайн во все века была тайна происхождения человека и всего живого на Земле. Ученые разных времен и народов высказывали всевозможные гипотезы о том, когда и как на Земле зародилась жизнь, пытались найти ответы на вопросы: что такое жизнь и чем живое отличается от неживого?

Культура древнего мира не признавала разделения на живое и неживое. Все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым (анимизм).

С накоплением опыта общения с природой, наблюдения и экспериментирования сформировались представления о границе между живым и неживым. Однако наличие в природе переходных форм между живым и неживым (например, вирусы) не позволяет провести четкую грань между живым и неживым. Поэтому современная биология все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов.

Переходы между живым и неживым:

· Живое возникает на основе неживого.

· После реализации жизненной программы живое возвращается в свое первоначальное состояние.

· Оба процесса происходят без малейшего вмешательства каких либо сверхъестественных сил и в деталях изучаются учеными.

Реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы, а сама жизнь может существовать только при определенных физических и химических условиях.

Приведем основные признаки жизни, синтез которых, их совокупность и взаимосвязь с той или иной степенью надежности позволяют отнести организмы к живым или неживым.

Специфические особенности живых систем, отличающие их от систем неживых, определяются следующими качествами:

1. Единство химического состава и высокий уровень организации веществ, образующих биологическую систему. Живые системы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы. Но их соотношение неодинаково. В живых организмах всего 6 элементов составляют около 98% химического состава. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор и кальций. Живые организмы содержат такие сложные органические вещества, как белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), ферменты, которых нет в неживой природе.

2. Живые системы – открытые системы, используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходит поток веществ и энергии, благодаря чему в живых организмах осуществляется обмен веществ – метаболизм. Метаболизм состоит из двух противоположных процессов:

· анаболизм или ассимиляция – синтез веществ;

· катаболизм или диссимиляция – распад сложных веществ пищи на простые с выделением энергии, которая используется для биосинтеза веществ, специфичных для данного организма.

3. Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся, самоорганизующиеся системы.

· Саморегуляция – свойство живых систем устанавливать и поддерживать на определенном уровне физиологические или другие показатели. Такое состояние динамического равновесия системы называется гомеостаз.

· Самоорганизация – свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения внутренней структуры управления. Управляющие факторы возникают в самой системе в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой. Это означает, что живые организмы — самоуправляющиеся системы.

4. Живые системы – самовоспроизводящиеся системы. Это их свойство сохраняет жизнь вида на длительное время. В основе само воспроизводства лежит генетическая программа, которая задает алгоритм образования новых молекул и сложных структур. Благодаря этому живое существо всегда воспроизводит себе подобное, передавая потомкам информацию о способе существования и приспособляемости к внешним условиям. Генетический материал определяет направление развития организма.

5. Изменчивость (= индивидуальность). Рождающиеся потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них. Изменения появляются уже на самых ранних стадиях эмбрионального развития, так как информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. Благодаря изменчивости организм приобретает новые признаки и свойства.

6. Живые организмы растут и развиваются. Рост — увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения. Развитие сопровождается возникновением новых черт и качеств. Так, у растения или животного появляются новые ветки или новые органы.

7. Раздражимость — неотъемлемая черта всего живого. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды живой системе и проявляется в виде ответной реакции системы. Способность реагировать на внешние раздражения - это универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

8. Реакция на среду и приспособление к ней. Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение птицы, рыбы, дождевого червя полностью соответствует условиям, в которых они живут.

9. Способность к образованию относительно самостоятельных надорганизменных образований (биогеоценозов и экосистем).

10. Реализация инстинктивных и приобретенных форм поведения.

11. Конечность существования (смертность).

12. Дискретность и целостность. Живые системы в природе относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного животного состоит из клеток, а любая клетка и одноклеточные существа – из определенных органелл. Органеллы состоят из дискретных, обычно высокомолекулярных органических веществ, которые, в свою очередь, состоят из дискретных атомов и т.д.

В то же время сложная организация немыслима без взаимодействия ее частей и структур, т.е. без целостности. Целостность - это несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов. Целостность биологических систем качественно отличается от целостности неживого тем, что поддерживается в процессе развития. Живые системы — это открытые системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией со средой. Важная особенность живых систем заключается в том, что такой обмен осуществляется под контролем специальных механизмов реализации генетической информации и внутреннего управления, которые позволяют избежать «термодинамической» смерти путем использования энергии, извлекаемой из внешней среды.

13 (см. п. 4). Способность к конвариантной редупликации — к самовоспроизведению ДНК (основных управляющих систем) на основе матричного принципа синтеза макромолекул. Благодаря способности к самовоспроизведению молекулы ДНК исполняют роль носителя наследственной информации. Ошибка в репликации ДНК ведет к мутациям, т.е. к изменениям наследственной основы организма. Последние суть фундаментальное свойство жизни и исходная предпосылка эволюции. Мутации являются элементарным эволюционным материалом, на котором работает естественный отбор.

 

Ни один из перечисленных признаков (а их можно привести еще 10-20) не является самым главным, определяющим. Только все признаки вместе взятые позволяют провести границу между живым и неживым в природе.