Вступ

Біологія – це сукупність наук про явище життя на нашій планеті. Біологічні науки вивчають зовнішню (морфологія) та внутрішню (анатомія) будову живих організмів, процеси їх життєдіяльності (фізіологія), механізми еволюції (теорія еволюції), взаємозв’язок живого з оточуючим середовищем (екологія), будову та функціонування клітини (цитологія), закономірності спадковості та мінливості (генетика), прояви живого на молекулярному рівні (молекулярна біологія). Звичайно кількість біологічних наук не обмежується вище переліченими. Так вивченням тканин займається гістологія, а вивченням окремих груп організмів, наприклад, відповідно ентомологія (вивчає біологію комах), орнітологія (біологія птахів), іхтіологія (біологія риб) мікологія (біологія грибів) тощо.

Явище життя, яке вивчає біологія, надзвичайно складне і багатогранне. Його наукове визначення було дане ще у другій половині ХІХ століття філософом Ф.Енгельсом.

В цьому визначенні основним проявом живого вважався впорядкований обмін речовин між білковими тілами (тобто живими тілами) і навколишнім середовищем. Причому, с припиненням такого обміну припинялося і життя. Звичайно це визначення не втратило свого значення і в наш час. Але враховуючи значно вищий рівень сучасних біологічних знань таке формулювання слід доповнити. Життя – це існування відкритих систем із впорядкованим обміном речовин та перетворенням енергії, які здатні до саморегуляції, самовідтворення, саморозвитку, нагромадженню інформації та мають тенденцію до зниження ентропії. Таке визначення досить складне і школяру відоме, мабуть, лише поняття про метаболізм та перетворення енергії. Процеси саморегуляції впорядковують функції внутрішніх структур, взаємовідносини із зовнішнім середовищем. Самовідтворення живих систем забезпечує неперервність життя шляхом розмноження. При цьому відбувається нагромадження інформації та виникають нові пристосування до змінених умов існування, тобто саморозвиток організмів. Найбільш складним є розуміння “зниження ентропії”. Ентропія у фізиці розуміється як міра безладдя, хаосу.

Арістотель (384 – 322 р.р. до н.е.) В своїх роботах узагальнив досягнення античної науки, створив першу класифікацію тварин, описав близько 500 видів

Чим нижче ентропія, тим більш впорядкована система. Таким чином, живі системи підвищуючи рівень організації, стають більш впорядкованими і, відповідно, більш надійними. Еволюція органічного світу на нашій планеті є яскравим доказом цього положення. Так у тваринному світі найбільш впорядкованими і складно організованими є ссавці, а в рослинному – покритонасінні. Саме ці групи займають панівне становище в сучасній флорі і фауні Землі.

Коротка історія розвитку біології.

Життя людини як розумної істоти з самого початку було тісно пов’язане з тваринами та рослинами. Це і зрозуміло, тому що вони були єдиним джерелом їжі. Первісна людина досконало вивчила спосіб життя, характерні риси поведінки, отруйність чи не отруйність об’єктів полювання та заготівлі – тварин, плодів, насіння, коренеплодів тощо. Але ці знання не носили наукового характеру а мали суто практичне значення. З розвитком великих цивілізацій – єгипетської, давньогрецької, давньоримської, індійської, китайської – виникають наукові галузі знань. По-перше це математика, яка була необхідна в повсякденні для розрахунків в будівництві, землеробстві, плануванні календарів тощо. Інші галузі знань, такі як фізика, хімія, біологія, не існували окремо, а об’єднувалися у загальну науку філософію.

Одним з перших давніх філософів, який присвятив ряд своїх праць біології, був Аристотель (384 – 322 рр. до н.е.). В своїх роботах “Історія тварин” та “Про частини тварин” він описав більш 500 видів і спробував вперше класифікувати тварин. Його співвітчизник відомий лікар Давньої Греції Гіппократ (ІV століття до н.е.) вивчав анатомію л юдини. Таджикський лікар Абу-Алі Ибн-Сіна або Авіценна (980 – 1037) написав знаменитий “Канон медицини”, який протягом століть був головним науковим трактатом в університетах Європи.

Лінней Карл (1707 – 1778) Створив систему класифікації рослинного і тваринного світу, що завершила величезну працю ботаніків та зоологів 18 століття.

Початком сучасного природознавства вважається епоха Відродження. В цей час відбувається швидке нагромадження фактичних даних про природу. Починається формування таких наук, як механіка, фізика, хімія, біологія та інших. Серед біологів тих часів слід відзначити Карла Ліннея (1707-1778) – засновника систематики організмів, автора першої теорії еволюції Ж.Б.Ламарка (1744-1829), засновника палеонтології Ж.Кюв’є (1769-1832).

Винайдення мікроскопа наприкінці 16 століття поклало розвиток новим галузям біології: цитології, гістології, протозоології, мікробіології тощо. Слід згадати відкриття світу невидимих організмів Антоні ван Левенгуком (1632-1723) та перші описи будови клітин англійця Роберта Гука у 1665 році.

Але потужний розвиток біології почався у ХІХ столітті. У 1838 – 39 роках два вчених ботанік Матіас Шлейден та зоолог Теодор Шванн сформулювали клітинну теорію. Надалі в середині ХІХ століття її розвинув Рудольф Вірхов (1821-1902).

У 1809 році з’являється праця Ж.Б Ламарка “Філософія зоології”, де французький вчений пропонує першу теорію еволюції, яку його сучасники не сприйняли і не визнали. Доречи, саме Ламарк запропонував термін “біологія” для науки, яка вивчає живі організми.

Мендель Грегор Йоган (1822 – 1884) Засновник генетики

1859 рік увійшов до історії не лише біології, а всього людства, як рік виходу в світ праці сера Чарльза Дарвіна (1809-1882) “Походження видів”. Вперше було переконливо показано розвиток органічного світу від простих до складних форм. Пізніше Ч.Дарвін запропонував докази тваринного походження людини.

У 1865 році невідомий монах з чеського містечка Брно Грегор Мендель (1822-1884) друкує працю “Досліди над рослинними гібридами”. В цій невеличкій науковій роботі він описує відкриті ним закономірності успадкування ознак рослинними організмами. Нажаль сучасники не зрозуміли важливість цього відкриття і Г.Мендель при житті так і не був визнаний, але зараз по праву вважається засновником генетики.

У другій половині ХІХ століття французький мікробіолог Луї Пастер (1822-1895) посилено вивчає бактерій, що псують продукти та збудників захворювань і пропонує прийоми стерилізації та пастеризації.

Німецький біолог Ернст Геккель пропонує теорію походження багатоклітинності та формулює разом з Ф.Мюллером біогенетичний закон. Широкої відомості набули праці українського біолога І.І Мечнікова (1845-1916), присвячені еволюційній біології, мікробіології, імунології та геронтології.

Мєчніков Ілля Ілліч (1845 – 1916) Українській біолоіг. Наукові роботи присвячені ембріології, мікробіології, імунології та герентології.

ХХ століття, яке нещодавно закінчилося, залишило в історії людства неабиякий слід. Протягом 100 останніх років було зроблено велетенський стрибок у всіх галузях науки, техніки та виробництва. Звичайно минуле століття пройшло під знаком досягнень з ядерної фізики. Цьому сприяли політичні умови. Ворожнеча між двома ідеологіями – капіталізму та соціалізму – стимулювала створення надпотужних видів озброєнь, особливо ядерної зброї.

Не менший вклад було внесено хімічними науками. Створення синтетичних матеріалів, нових видів палива, технологій захисту від корозії, лікарських препаратів, миючих засобів тощо. Хімія настільки міцно увійшла в наше життя, що світ штучних матеріалів, який повсякденно оточує нас, здається звичним і, навіть, природним.

Помітних успіхів досягла і біологія, особливо в галузі цитогенетики. Дійсно, людству відкрилися казкові горизонти мікросвіту. Вдалося розкрити таємниці спадковості (Т.Г.Морган, Стертевант, Бріджес, Г. ДеФріз, Вавілов, Кольцов та інші), виявити закономірності функціонування клітини на молекулярному рівні. Нарешті вдалося побудувати теоретичні моделі надорганізменного рівня існування живих систем, тобто розкрити закономірності екологічних стосунків між живим та неживим, живого з живим та живого з людиною (В.І.Вернадський, В.М.Сукачев, Ю.Одум та інші). Так в надрах біології виникає і розвивається нова галузь знань – екологія.

В минулому столітті набула більш наукового вигляду еволюційна ідея. Стали зрозумілими тонкі молекулярні механізми еволюційних процесів, що лише підтвердило геніальність Ч.Дарвіна. На початку минулого століття російський генетик С.С.Четверіков поєднав молекулярну генетику з теорією еволюції. Тепер ми розуміємо складний механізм еволюційних перетворень.

В ці ж роки росіянин О.М.Сєвєрцов та українець І.І.Шмальгаузен вдосконалили еволюційну теорію, обґрунтувавши основні напрямки еволюції.

Шмальгаузен Іван Іванович (1884 – 1963) Основні наукові роботи присвячені еволюційній морфології, філогенії тварин, еволюційному вченню.

Останні досягнення біології взагалі здаються казковими. Так складені генетичні карти людини, тобто зроблено розшифровку нашого геному. Тепер нам відомо на якій хромосомі які розташовані гени. Відкривається можливість створювати технології керування спадковістю. Насамперед це стосується корегування спадкових захворювань. Розроблено технології клонування живих істот, в тому числі і людини. Успіхи сучасної біології настільки шалені, що людство поки що нездатне позитивно реагувати на відповідні наукові відкриття. Наприклад, дослідження в галузі ембріології людини і пов’язаних з ними процеси клонування ссавців були заборонені людською спільнотою на невизначений час. Така ж ситуація спостерігається і при розробці нових мутантних форм рослин та тварин. Контроль за такими мутантами настільки прискіпливий, що на їх випробування витрачаються роки.

Окремим питанням можна поставити успіхи біології в охороні здоров’я людини. На основі ретельних досліджень розроблені фантастичні технології діагностування та лікування найрізноманітніших хвороб. Особливо цікавим є напрямок із застосуванням комп’ютерних систем. Розробляються мікророботи, які будуть здатні лікувати нас перебуваючи у внутрішньому середовищі організму. Розробляються комп’ютерні варіанти органів зору та слуху, моделі кінцівок тощо. Вже недалекий той час, коли технологічно будуть вирішені питання подолання несумісництва тканин і трансплантації будь-якого органу нашого тіла. Особливої уваги заслуговують проблеми клонування живих роганізмів, в тому числі і людини.

Основні узагальнення біології.

Уважно прослідкувавши історію формування біології як науки, в її розвитку можна виділити три основних етапи. Перший етап відноситься до філософії давніх цивілізацій, коли вчені-філософи намагалися змалювати закономірності оточуючого світу так, як їм це здавалося. Їх теорії будувалися виключно на уяві та на фактах, які вони спостерігали. Другий етап становлення біології відноситься до епохи Великих географічних відкриттів. В цей період відбувалося швидке нагромадження фактичного матеріалу. З винайденням мікроскопу кількість описів різноманітних структур ще збільшилася. Тому цей період розвитку біології називають описовим. Нарешті виникає необхідність пояснювати не лише будову, а і функції структур живих систем. Так в середині ХІХ століття біологія переходить до третього етапу свого розвитку – етапу теоретичних узагальнень або формулювання відповідних теорій. Виникає цілий ряд теорій, що пояснюють процеси, які не можна спостерігати та описувати безпосередньо. Це фізіологія, яка пояснює принципи функціонування живого, теорія еволюції, яка розкриває скриті механізми видоутворення, екологія, що охоплює закономірності взаємодії організмів з довкіллям, хромосомна теорія спадковості тощо.

В наш час біологія набуває бурхливого розвитку і вважається, що ХХ1 століття, з точки зору науки, можливо стане століттям молекулярної біології. Тому неабияк важлива загальна біологічна грамотність людства. Кожна мисляча істота нашого суспільства повинна насамперед чітко уявляти загальні біологічні закономірності будови та функціонування живої системи. Ці галузі біології вивчають анатомія, фізіологія, гістологія та інші науки. Якщо ці ж самі закономірності розглядати на рівні клітини, то ми повинні мати уявлення про будову та функції окремої клітини, тобто мова йде про цитологічні основи живого.

Певного значення набуває і таке узагальнення біології, як біологія розвитку, що розглядає закономірності онтогенезу. Біологи вже ведуть серйозні розмови про суттєве подовження життя людини за рахунок розкриття таємниць молекулярного механізму контролю метаболізму клітини. З цієї точки зору ще більшої актуальності набувають генетичні дослідження, які зумовлюють наші успіхи у створенні технологій контролю біосинтезу білку, ліквідації спадкових захворювань тощо.

Звичайно, неможливо розглядати людину поза оточуючим середовищем. Одним з центральних узагальнень біології залишаються екологічні дослідження, що дозволяє відслідкувувати, контролювати та прогнозувати наслідки взаємодії господарської діяльності людини з навколишньою природою. Нарешті слід відзначити неабияку значимість еволюційної біології, яка дозволяє не лише відтворювати світ живих організмів минулих часів, але і контролювати еволюційні процеси в наш час. На основі еволюційних закономірностей будується сучасна селекція організмів – отримання небувалих за властивостями сортів, порід та клонів, що в недалекому минулому здавалося казкою. Ця галузь біологічної науки намагається розкрити таємниці походження життя на нашій планеті та присутність його в інших світах. Не зовсім з’ясованим є і питання походження людини (антропогенезу). Чи є ми нащадками прибульців, чи є результатом тривалої земної еволюції органічного світу?

Зазначені вище узагальнення біології загальні для будь-якого прояву живого. Так всі організми мають загальні принципи організації метаболізму, підпорядковуються загальним закономірностям розмноження та розвитку, які контролюються генетичними механізмами, взаємодіють з іншими організмами та неживою природою (екологічні стосунки), не залишаються незмінними, а еволюціонують.

Такі загальні закономірності живого і стануть предметом вивчення вами біології, яка, тепер і зрозуміло, носить назву загальної біології. Ви послідовно розглянете хімічний склад, організацію та функціонування живого на рівні клітини, ознайомитися з молекулярними механізмами основних метаболічних процесів (цитологія); більш детально розглянете закономірності розмноження та індивідуального розвитку організмів (біологія розвитку); зануритеся в захоплюючий світ таємниць успадкування та мінливості ознак (генетика); вам відкриються закономірності екологічних стосунків (екологія); стануть зрозумілими потаємні механізми еволюційних процесів (теорія еволюції).

Методи біологічних досліджень.

При біологічних дослідженнях, як і в будь-якій науці, використовуються певні методи. Методом називають спосіб або засіб, за допомогою якого досягають поставленої мети. На різних етапах розвитку біології використовувалися різні методи. Так при нагромадженні фактичного матеріалу дослідники застосовували спостереження та опис. Для визначення об’єкту або явища серед вже відомих застосовують порівняння. Ці методи склали групу порівняльно-описових методів. Їх з успіхом застосовують і в сучасних дослідженнях при вивчення екосистем, при описанні нових видів тощо.

При нагромадженні великої кількості описаних об’єктів виникає необхідність їх класифікувати, тобто встановлювати ступінь спорідненості з іншими подібними об’єктами. Класифікація дозволяє впорядкувати знання і спростити користування ними.

Чільне місце в біології належить експериментальним методам. В експерименті дослідник змінює оточуючи умови або сам об’єкт і стежить за наслідками таких змін. Експеримент може бути поставлений в лабораторії – лабораторні експерименти, або в природних умовах – польові експерименти.

В лабораторних умовах експериментатор має можливість отримувати штучні популяції організмів, групи клітин – клони або окремі живі клітини. Це – лабораторні культури. Цей метод використовується в мікробіології, ембріології, гістології тощо. Завдяки цьому напрямку досліджень виникла ціла промислова галузь – біотехнологія. Таким способом отримують антибіотики, кормовий білок, дріжджі для хлібопекарського виробництва та пивоваріння. Широкого розповсюдження набув метод мікроклонування, коли з однієї клітини отримують різні тканини з подальшим їх використанням.

Певні явища та процеси, що протікають в живих системах, неможливо спостерігати безпосередньо. В цьому випадку застосовують моделювання. Звичайно моделювання віддзеркалює лише ймовірний хід процесів, їх певні етапи. Широкого розповсюдження набуло математичне моделювання – аналіз кількісних відношень у складних системах. Така модель будується у вигляді системи рівнянь і показує взаємозалежність процесів і явищ. Змінюючи в моделі певні величини можна прогнозувати реальну ситуацію, що може виникнути при зміні, наприклад, тих чи інших умов середовища. При використанні ЕОМ, де швидкість математичних операцій неймовірна, математичне моделювання набуває великого значення. Комп’ютерні образи настільки наближуються до реальних, що стає важко відрізнити їх від відеозйомки.

Для встановлення певних закономірностей та всебічного аналізу наявного кількісного матеріалу застосовують статистичні методи. Статистика дозволяє визначати ступінь надійності отриманих результатів, ймовірність тих чи інших, наприклад, функціональних проявів, виявити випадковість факту, явища, процесу чи їх закономірність. Як правило, дослідник спочатку отримує поодинокий результат і надалі намагається встановити чи він випадковий, чи закономірний. Для цього необхідно отримати повторні дані, статистично їх обробити і встановити істину.

При комплексних біологічних дослідженнях, коли живі системи досліджуються по багатьох параметрах застосовують моніторинг (від лат. monitor – попередження). Зібрані дані моделюються і виникає можливість слідкувати за перебігом процесів в системі. Моніторинг найчастіше застосовується в екологічних дослідженнях. Дослідники встановлюють оптимальні параметри функціонування екосистеми і надалі слідкують за станом всіх її компонентів. Маючи такі моделі досить легко прогнозувати майбутні зміни, позитивні чи негативні, при дії певних чинників. В наш час складені моніторинги для заповідних та охоронних територій, слідкування за станом забруднення атмосфери, водойм та грунтів, біології окремих популяцій рідкісних видів тощо.

Структура наукових понять в біології.

Біологія входить до складу природничих наук разом з фізикою та хімією. На різних етапах її розвитку вчені-біологи застосовували різні методи. Так погляди давніх філософів обмежувалися лише уявними моделями навколишнього світу. Наприклад, давньогрецькі філософи уявляли світ, що складається з чотирьох стихій – вогню, повітря, води та землі. Взаємодія цих стихій, на їх думку, і зумовлює все різноманіття світу нашої планети. Філософ Платон уявляв, що світ складається з дрібних невидимих часточок – атомів, які взаємодіючи один з одним зумовлюють існування нашого світу. Демокрит вважав, що життя, наприклад, зароджується в болотах, де існують різні частини тіл тварин. Ці частини з’єднуються один з одним і життєздатні комбінації починають існувати. Неважко помітити, що основним недоліком таких розмірковувань була відсутність доказів. Але ці філософи і не дошкуляли собі необхідністю щось доводити та перевіряти, а вважали свої думки істинними. Такі уявні пояснення в науці нашого часу називають гіпотезами, тобто науковими припущеннями. На жаль філософія давнього світу так і залишилася на гіпотетичному рівні у вигляді передбачень, але не перевірених ні спостереженням, ні описом, ні експериментом.

В часи бурхливого вивчення все нових і нових видів організмів, їх структур, дослідники нагромаджували наукові факти, тобто те, що вже встановлене і не викликає сумнівів. Нагромадження наукових фактів тривало майже до ХІХ століття. Вчені настільки занурювалися у вивчення деталей або окремих структур, що не звертали ніякої уваги на інші факти, що лежали поза їх досліджень. Але значення таких пошуків величезне, тому що вони сприяли відкриттю все нових наукових фактів.

Встановлення наукового факту завжди супроводжується намаганням його тлумачення. Для цього використовуються інші факти і, якщо спостерігається статистична закономірність, то встановлюється правило або закон. На відміну від гіпотези, закон має певне тлумачення і не допускає припущень.

Правила, закономірності, закони об’єднуються у теорію. Наприклад, у першій половині ХІХ століття М.Шлейден та Т.Шванн узагальнили знання про клітинну будову організмів і сформулювали клітинну теорію. В 1859 році Ч.Дарвін пропонує еволюційну теорію, а Е.Геккель – теорію походження багатоклітинності тощо.

Формулювання теорії – процес складний і тривалий. У загальних рисах він складається з кількох етапів. По-перше необхідно визначити проблему, вирішення якої приведе до, можливо, нових поглядів на відомі речі. Потім формулюється гіпотеза, яка визначає напрямки розв’язування проблеми. Нарешті наступає період тривалого пошуку відповідних фактів, їх комбінацій, експерименти, моделювання, статистична обробка. Завершує цю працю отримання результату. Яким він буде – чи це правило, закон, чи теорія. Звичайно теорія охоплює великі області знань і, що саме головне, дає тлумачення багатьом фактам та явищам. Досить оволодіти теорією, як з’являється можливість пояснювати нові факти, що підпадають під закономірності такої теорії.

Рівні організації живого.

Все різноманіття живого на нашій планеті можна умовно розбити на рівні організації за складністю та надійністю його функціонування. Прояви життя забезпечуються перш за все на молекулярному рівні. Процеси життєдіяльності, що протікають на рівні молекул, вивчає молекулярна біологія. Людство вже має певні успіхи в спробах розібратися в складних механізмах метаболізму. Так розкрито структуру основних органічних компонентів – білків, жирів, вуглеводнів, нуклеїнових кислот, вивчені деякі метаболічні шляхи основних реакцій анаболізму та катаболізму, стає зрозумілим складний механізм спадковості та мінливості.

Вся багатогранність молекулярних взаємодій в живих системах обднується в клітині. Тому клітинний рівень організації вважається основним для проявів живого. Саме на рівні клітин відбувається той впорядкований метаболізм та перетворення енергії, які забезпечують явище життя.

При об‘єднанні клітин у групи, що виконують певні функції, виникають тканини – тобто тканинний рівень організації. Тканини об‘єднуються в органи, а органи в системи органів. Часто в біології ці рівні організації виділяють окремо – тканинний та органний. Але, звичайно, ні тканини ні органи, ні, навіть системи органів не здатні самостійно забезпечити метаболізм.

Наступний рівень організації живого, який має всі властивості живого – організменний. Саме у вигляді організмів існують живі системи. Причому вони можуть складатися лише з однієї і водночас з мільярдів клітин.

Організми, пройшовши довгий і складний шлях еволюції, набули великого різноманіття. Але для підтримання неперервності життя вони повинні розмножуватись. Вся сукупність схожих між собою організмів, а головне здатних до розмноження об‘єднують у види. Особини одного виду мешкають на певній території або ареалі. В межах ареалу вид розбивається на групи в залежності від умов існування – популяції. Такий рівень організації живого називають популяційно-видовим.

В реальному житті на певній території мешкає не один вид, а їх сукупність. Така сукупність різних видів із складними харчовими стосунками та разом з неживою природою створює екосистеми. Такий рівень організації живого називають екосистемним, якому притаманний власний колообіг речовин та потік енергії. Часто він носить назву біогеоценотичний – від досить застарілого терміну “біогеоценоз”, яким позначали взаємовідносини живого з неживим та живого з живим.

Вся сукупність екосистем нашої планети об’єднують в біосферу, а такий рівень організації живого називають біосферним. Біосфера планети Земля є єдиною відомою людству. Прояви життя на інших планетах поки що невідомі, тому стан нашої біосфери повністю залежить від нашого до неї відношення. Наша планета мчить у просторах Всесвіту вкрита тонким шаром атмосфери під яким вирує життя. Це наш єдиний дім в холодному мороці Космосу і від нас залежатиме, чи зазнаємо космічної катастрофи, чи збережемо його для себе і нащадків.

Загальна біологія, яка вивчається в школі, включає основні біологічні теорії – клітинну теорію, теорію еволюції, цитогенетику, екологію, молекулярну біологію. Щоб зрозуміти основні положення теорії, необхідно вивчити необхідну кількість наукових фактів та зрозуміти їх підпорядкованість та взаємозв’язок. Крім цього, біологія має свої терміни, визначення, які також необхідно знати, щоб успішно орієнтуватись в складних біологічних явищах.

Розділ 1. Основи молекулярної біології.

Сучасна біологія не є окремою наукою, а об’єднує цілий комплекс наук, які вивчають різноманітні прояви живого. Кожна з цих наук досліджує свою певну ділянку біологічних явищ, часто розкриває занадто специфічні властивості окремих живих об’єктів. Але основні прояви живого відбуваються на мікрорівні, тобто на рівні клітини. Звичайно дослідження на такому рівні стали можливими лише з винайденням мікроскопу. Вам добре відома історія відкриття самої клітини, опису її будови та намагання зрозуміти функціонування як окремих органоїдів, так і клітини в цілому. Ця наукова галузь біології отримала назву цитологія ( ). Майже до середини ХХ століття цитологи вивчали, в основному, морфологію клітини. Винайдення в 30-ті роки електронного мікроскопу різко розширило можливості збільшувальних пристроїв. Тепер дослідження впритул наблизилися до розмірів окремих, так званих макромолекул, тобто молекул з великою молекулярною масою. Зокрема це молекули нуклеїнових кислот та білку, складні полімери вуглеводів. Поступово цитологічні дослідження перестають бути суто біологічними. Тепер до біологів підключаються хіміки і, навіть, фізики і, відповідно, виникають біохімія та біофізика. Вивчення клітини переходить на новий рівень – на рівень молекул, а вся сукупність таких наукових досліджень отримала назву молекулярної біології.

Успіхи сучасної молекулярної біології вражаючі. Людство повільно, але впевнено пізнає найтонші молекулярні механізми життя клітини і на основі цих знань намагається підпорядкувати свідомому керуванню надскладні метаболічні процеси.

В даному розділі будуть розглянуті найбільш загальні закономірності молекулярної біології – хімічний склад клітин, загальні принципи реакцій анаболізму та катаболізму. Тобто, як ви здогадалися, будуть розглянуті молекулярні основи метаболізму клітини, що визначає розуміння проявів життя на рівні сучасної науки.

Глава 1. Малі та великі молекули.

На нашій планеті зустрічається близько 100 хімічних елементів, але для живих організмів мають значення лише 16 з них. Це головні елементи органічних сполук – Н – водень, С – вуглець, N – азот, О – кисень, Р – фосфор, S – сірка; йони – Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, K⁺, Ca²⁺; мікроелементи – Мn - марганець, Fe – залізо, Co - кобальт, Cu – мідь, Zn – цинк – зустрічаються в кожному організмі, а B - бор, Al – алюміній, Si – кремній, V – ванадій, Mo – молібден, I – йод – необов’язкові. Найбільш поширені чотири з них – це водень, вуглець, кисень, азот, які складають 99% з усіх хімічних елементів, присутніх в живому.

Звичайно елементи перебувають або у вигляді іонів або поєднуються у сполуки. Серед сполук найбільше міститься води – від 60 до 95% загальної маси організму. Інші біологічні сполуки не чисельні і побудовані з диоксиду вуглецю (СО₂), азоту та води. Це вуглеводи (моноцукри), амінокислоти, жирні кислоти, гліцерол, холін, азотисті основи або нуклеотиди. З цих малих молекул будуються значно складніші молекули – макромолекули білків, поліцукрів, нуклеїнових кислот, ліпідів. Вважається, що прості молекули могли синтезуватися у так званому “первісному бульйоні” ще до появи життя на Землі, а потім, об’єднуючись у складні полімери зумовили виникнення життя. Розглянемо будову та функції простих і складних біологічних молекул.

1.1.1. Вода.

У нашій свідомості вода настільки є звичайною сполукою, що ми практично не звертаємо на неї уваги. Дійсно вода оточує нас скрізь – ми вживаємо її разом з їжею, п’ємо, миємось, з її допомогою позбавляємось від відходів, при тривалій спеці з надією виглядаємо дощу тощо. Але вода має дивні властивості, які зумовлюють підтримання життя на нашій планеті. Такі властивості зумовлені структурою її молекул.

З хімії вам відомо, що емпірична формула води записується як Н₂О. Тобто на два атоми водню припадає атом кисню. Кожний з цих двох атомів водню зв’язаний з атомом кисню ковалентно (мал.1). Але найважливішим є те, що водні розташовуються під кутом близько 105⁰ .

Рис.1. Молекула води. Атоми водню з’єднані з атомом кисню ковалентно. Сама молекула вигнута під кутом 105⁰, що зумовлює її дипольність.

Відповідно позитивні заряди протонів зміщуються в один бік, а негативні заряди електронів кисню – в інший. Виникає відоме у фізиці явище дипольності – зарядженості молекули води. Часткові заряди молекули води зумовлюють притягування їх одне до одного, з утворенням водневих зв’язків. Завдяки таким зв’язкам вода утворює так звані молекулярні агрегати, або асоціації (мал.2). Ці агрегати у рідкій воді неміцні. Водневі зв’язки швидко руйнуються, але і швидко виникають.

Мал.2. Окремі молекули води об’єднується в агрегати, утворюючи водневі зв’язки між частково позитивними та частково негативними зарядами.

Така особливість будови води зумовила ряд особливих її властивостей, що є важливими для живих організмів.

1. Завдяки дипольності молекули води здатні злипатися між собою (рис.3). Таке явище носить назву когезія. Якщо вони злипаються з іншими речовинами – адгезія. Наприклад, завдяки когезії та адгезії вода здатна підніматися в судинах рослин на будь-яку висоту, випаровуючись через продихи.

Рис. 3. Різні варіанти “злипання” полярних молекул води (когезія)

На поверхні вода утворює поверхневе натяжіння, яке зумовлене когезією молекул. Це явище часто використовують дрібні тварини, вільно пересуваючись поверхнею води. Яскравим прикладом є клопи-водомірки. Адгезія забезпечує капілярні властивості води. В цьому випадку молекули води прилипають до поверхні іншого матеріалу і втягують за собою інші молекули. Це явище можна спостерігати в скляній трубочці або на волокнах паперу. Капілярні утвори ґрунту сприяють підйому і випаровуванню води.

2. Вода – унікальний розчинник. В ній розчиняється більше речовин, ніж в будь-якому іншому розчиннику. Завдяки полярності (дипольності) молекули води начебто “розривають” полярні молекули речовини, що розчиняється. Це явище носить назву дисоціації, а її ступінь визначається величиною рН. Таким чином, більшість водних розчинів являють собою суміш позитивних та негативних іонів. Тепер виникає можливість “керування” цими зарядженими частинками, використовуючи їх енергію для підтримання метаболізму. По-іншому поводять себе у воді неполярні речовини. Вони утворюють з водою так звану поверхню поділу. Всі, мабуть, спостерігали таке явище при утворенні жирових плям, де взаємодіють полярні молекули води та неполярні молекули олії. В цьому випадку спостерігається явище гідрофобності. Саме при гідрофобних взаємодіях протікає більшість хімічних реакцій в клітині, тому мембрани клітин побудовані переважно з ліпідів.

3. Вода має високу теплопровідність, тобто теплота швидко розповсюджується по всій її товщі. Ця властивість забезпечує рівномірність нагрівання всіх структур клітини і перешкоджає виникненню перегріву в місцях вивільнення енергії, наприклад, в мітохондріях. Завдяки високій теплопровідності води біохімічні процеси протікають в меншому інтервалі температур і більш надійно.

4. Висока температура кипіння води забезпечує збереження її агрегатного стану в живих організмах. Адже лише при сильному нагріванні молекули води відокремлюється і переходять в газоподібний стан. Але живим мешканцям нашої планети руйнування звичного стану води не загрожує, оскільки її критичне нагрівання в природних умовах майже відсутнє.

5. Вода має високу теплоту випаровування. Ця властивість використовується живими організмами для терморегуляції. На власному прикладі ви можете в цьому переконатися, спостерігаючи в спекотну погоду рясне виділення поту на поверхні шкіри.

6. При замерзанні вода поводить себе незвичайно. Найбільшої щільності вона досягає при +4⁰ С, а в проміжку між +4⁰ С та О⁰ розширюється, утворюючи кристали льоду. У твердій воді відстань між молекулами більша, ніж в рідкій, тому лід легший за рідку воду. Про це свідчить те, що водойми замерзають зверху, даючи можливість більшості мешканців помірних широт успішно зимувати. А утворення кристалів льоду у клітині призводить до руйнування її тонких мембранних структур, що є звичайно негативним. Але більшість організмів в процесі еволюції виробили спеціальні речовини, які діють за принципом антифризу, тобто знижують температуру замерзання цитоплазми. Тканини зимуючих рослин взагалі не руйнуються при зниженні температури. Нарешті теплокровні тварини підтримують сталу температуру тіла, протистоячи зимовим холодам.

7. Вода як необхідний метаболіт. В живих системах вода використовується, наприклад, як джерело протонів водню при фотосинтезі, а при клітинному дихання навпаки утворюється метаболічна вода.

8. Вода як фактор в еволюційних процесах. З наявністю або відсутністю води пов’язане виникнення у організмів різноманітних пристосувань. Наприклад, еволюція запліднення у рослин від рухливих гамет у водному середовищі до пилку та насінного зачатку у наземних насінних рослин; пристосування до утримання та нагромадження води у ксерофітів, тварин, що мешкають у пустелі тощо.

Таким чином, вода є тим необхідним середовищем в якому протікають хімічні процеси, що обумовлюють явище життя. Які ж речовини є найнеобхіднішими в побудові структур живого та підтримання їх функцій? Насамперед це вуглець, сполуки якого зумовлюють утворення біологічних молекул.