Тема 11. Особенности биологического уровня организации материи.

1. Элементарная основа жизни. Отбор химических элементов для построения живых систем.

2. Вещественная основа жизни. Структура и свойства этих веществ.

3. Сущность живого, его основные признаки с точки зрения синергетики.

4. Основы и механизм воспроизводства жизни.

5. Структурные уровни живого. Гипотеза Гея-Земли.

6. Клетка – структурная единица жизни. Изучение клетки. Клеточная теория. Отличительные особенности животной, растительной, грибной и бактериальной клетки.

7. Систематизация живой материи. Вклад К. Линнея, Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в систематику живой материи. Современная систематика органического мира.

8. Эволюция форм жизни. Вклад Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в развитие эволюционного учения. Синтетическая теория эволюции. Концепция коэволюции.

В результате великих открытий второй половины XX в. биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, и естествознание обрело контуры целостной науки, исследующей единую природу во всех ее проявлениях.

Однако, биология, будучи «равной среди равных» в системе естественных наук, отмечена особым знаком судьбы. До сих пор нет единой точки зрения на ее «образ» как теоретической науки. Биология как бы существует одновременно в трех «лицах», развивается в трех основных направлениях: традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая биология и эволюционная. Общим среди этих трех направлений является одна цель – познание феномена Природы – жизнь и один живой объект исследования.

В настоящее время ведутся усиленные поиски объединяющего начала для всех трех «образов» биологии и создания единой теории жизни.

1. Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогены. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организме составляет 97,4 %. За ними следуют 12 элементов, которые принимаю участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем и объединены в группу микроэлементы. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6 %. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, которые объединены в группу ультрамикроэлементы. Их доля от общей массы составляет примерно 1 %.

Химическая картина живых систем свидетельствует о тщательном отборе химических элементов для построения организмов. Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором является строение и свойства атомов. Природа отбирает химические элементы, способные к образованию прочных, энергоемких и лабильных связей.

Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1, т.к.:

1. углерод образует практически все типы связей, известные в химии: одинарные, ветвистые, замкнутые, двойные, тройные и пр. Большое количество связей в молекулах органических веществ обеспечивает их высокую информационную емкость. За счет связей в молекулах органических веществ создаются большие запасы энергии;

2. связи между атомами углерода лабильны, т.е. легко подвергаются расщеплению, перемещению, перераспределению;

3. соединения углерода активны при невысоких температурах и их активность может меняться;

4. углерод обладает окислительно-восстановительной двойственностью;

5. атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд и его много во Вселенной.

Все это позволяет создавать углероду разнообразные лабильные, низко электропроводные, студенистые, насыщенные водой длинные скрученные структуры, и в соединениях с другими органогенами создает вещества, обладающие замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными, двигательными, регуляторными и другими свойствами.

Элементы – органогены, благодаря своим свойствам обеспечивают динамичность всего живого, организацию и самоорганизацию жизни, аккумуляцию энергии, устойчивость и регулирование процессов, самовоспроизводство, т.к. они легко соединяются между собой, имеют маленькую атомную массу, их соединения легко растворяются в воде, они достаточно устойчивы и распространены во Вселенной.

2. Из 7,7 млн. органических веществ в построении живого участвую несколько сотен. Вещественную основу жизни составляют две группы веществ: неорганические вещества – вода (75-80 %) и минеральные соли (1-1,5 %) и органические вещества – белки (10-20 %), нуклеиновые кислоты (1-2 %), углеводы (0,2-8 %), липиды (1-5 %), АТФ (0,1-0,2 %) и низкомолекулярные органические вещества (0,1-0,5 %).

Особенности строения и свойства этих веществ.

Вода. Роль воды в клетке определяется ее химическими и структурными свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул воды, их полярностью и способность соединяться друг с другом водородными связями. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи, вода является хорошим растворителем для полярных веществ, называемых гидрофильными. Неполярные вещества, например липиды, практически в воде нерастворимы, т.е. они гидрофобны. Вода является основной средой, где протекают большинство химических реакций. Вода обладает наивысшей удельной теплоемкостью из всех известных жидкостей и высокой теплопроводностью и поэтому участвует в процессах терморегуляции организма. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение, что важно для передвижения растворов по тканям. Вода используется в качестве источника кислорода и водорода (фотосинтез).

Минеральные соли необходимы для нормальной жизнедеятельности клетки. Минеральные соли поддерживают кислотно-щелочной баланс цитоплазмы и напряженность (тургор) клеточных оболочек, влияют на процессы возбудимости, активируют ферменты. Соли кальция входят в состав костей, раковин, наружного скелета ракообразных. Повышение уровня солей калия в организме оказывает токсическое воздействие на сердечную и другие мышцы. При его недостатке нарушается функция ряда органов (приведите свои примеры значения минеральных солей для организма).

Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, которые являются структурными единицами белков. Белки разных организмов содержат по 20 различных аминокислот и отличаются друг от друга их чередованием и частотой встречаемости в полипептидной цепи. В зависимости от пространственной конфигурации полипептидных цепей различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы. Свойства белка определяются также пространственным расположением полипептидных цепочек. Все особенности строения и функционирования макромолекул белка определяются его первичной структурой, которая обусловлена последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Мономерами белков являются аминокислоты.

Белки в клетке выполняют структурную (строительную), сократительную (двигательную), ферментативную (каталитическую), сигнальную, защитную, транспортную, регуляторную и энергетическую функции.

Углеводы – органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы делятся на моносахариды – простые сахара, состоящие из трех или более атомов углерода (глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза); дисахариды, образованные из двух молекул моносахаридов с выделением молекулы воды (сахароза, лактоза, мальтоза и др.); полисахариды, образованные из множества остатков молекул моносахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза).

Углеводы в клетке выполняют энергетическую, запасающую, строительную и опорную функции. Мономером сложных углеводов является глюкоза.

Жиры или липиды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Важнейшими группами липидов являются стероиды (холестерол, половые гормоны, витамин Д и др.), терпены (ростовые вещества растений), воска, фосфо- и гликолипиды, липопротеины.

Липиды в клетке выполняют энергетическую, структурную, защитную (участвуют в процессах терморегуляции организма) функции и служат источником воды.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, хранящие и передающие наследственную информацию. Нуклеиновые кислоты впервые описал в 1868 г. Ф. Мишер, однако модель молекулы ДНК была предложена только в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, за что они и получили нобелевскую премию. Различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Мономером нуклеиновых кислот является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, пятиатомного углерода и остатка фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек и представляет собой двойную спираль. ДНК локализуется в ядре клетки, здесь она входит в состав хромосом. Кроме того, ДНК содержится в матриксе митохондрий и пластид. Важнейшим свойством ДНК является его способность к самоудвоению (редупликация). В основе синтеза ДНК лежит принцип комплементарности. Благодаря матричному синтезу наследственная информация в дочерних клетках строго соответствует материнской. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК кодирует наследственную информацию.

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Существует три вида РНК – информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомальная (р-РНК). Они отличаются размерами молекул, структурой и функцией. Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК как копии ее участков. И-РНК переносит информацию с молекулы ДНК на рибосомы, где эта информация реализуется при биосинтезе белка. Т-РНК осуществляет перенос аминокислот в процессе биосинтеза белка. Р-РНК входит в состав рибосом, на которых синтезируется белок.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – мононуклеотид, содержащий аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ в клетке выполняет энергетическую роль и является участником всех биохимических реакций.

Свойства веществ, обеспечивающие их участие в построении живых систем:

1. высокая упорядоченность и сложная организация на молекулярном уровне;

2. зеркальная асимметрия и хиральная чистота. Зеркальная асимметрия обуславливает существование зеркальных изомеров, которые отличаются друг от друга, как предмет отличается от своего отображения. Эти изомеры отличаются только оптической активностью, т.е. они по-разному вращают плоскость поляризованного луча. Остальные свойства у них одинаковые. Способность органических веществ существовать в двух зеркальных формах называется хиральностью. Смесь равных количеств α- и d-изомеров оптической активностью не обладает и называется рацелической. В неживой природе наблюдается рацелизация, т.е. равновесие между α- и d-формами. Следовательно, неживая природа зеркально симметрична. В живой природе все вещества, слагающие организмы, обладают хиральной чистотой: все белки содержат только α-аминокислоты, поэтому вторичная структура белков – правозакрученная спираль; все нуклеиновые кислоты содержат только d –сахара, поэтому ДНК и РНК – левозакрученные спирали. Природа знает лучше. Она создала хиральную чистоту и не терпит хиральной загрязненности. Рацелические НК и белки не способны свертываться в спираль и осуществлять свои функции.

3. каталитическая активность. Все биохимические реакции являются каталитическими. При этом катализаторами являются ферменты, к которым в клетке относятся НК и белки. Ферменты имеют строго определенный состав и строение частиц, что обеспечивает специфичность их действия, т.е. каждый фермент катализирует строго определенную реакцию. Ферменты имеют различную энергоемкость, что обеспечивает их лабильность. Фермент, чаще всего, состоит из двух частиц: белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента).

3. В 19 в. Ф. Энгельс определяет жизнь в своей работе «Диалектика природы», как «способ существования белковых тел, существенным моментом которых является обмен веществ с окружающей средой». Это определение опередило свое время, но устарело сейчас, т.к. сами по себе белковые молекулы не способны к самовоспроизводству.

В середине 20 в. М.В. Волькенштейн дает такое определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самовоспроизводящиеся, саморегулирующиеся системы, построенные из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».

Вирусы – это переходная форма от неживого к живому, т.к. вирусы имеют ДНК, но не имеют белков-ферментов и поэтому могут размножаться только в живых клетках, используя ее ферментативную систему.

С точки зрения химика – земная жизнь – это существование белков и НК на фоне воды.

Фундаментальными свойствами живого являются самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция. Они обуславливают основные признаки жизни – обмен веществ и энергии, размножение, развитие, наследственность и изменчивость, дискретность и целостность, гомеостаз.

Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции (синтеза органических веществ) и диссимиляции (процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии). Именно обмен веществ и обеспечивает относительное постоянство химического состава организма (гомеостаз).

Еще одно свойство живых организмов – это способность к самовоспроизводству. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК.

С этим свойством живого тесно связано явление наследственности (способность организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития следующим поколениям) и изменчивости (способность организма приобретать новые признаки и свойства). Именно изменчивость создает материал для отбора наиболее приспособленных к данным условиям существования особей. В конечном счете это приводит к появлению новых видов живых организмов.

Любому живому организму свойственна также способность к росту и развитию. В результате развития возникает новое качественное состояние живой материи.

Еще одно общее свойство всех живых организмов – это раздражимость. Это свойство связано с передачей информации из внешней среды биологической системе. Благодаря этому свойству живые организмы способны избирательно реагировать на меняющиеся условия внешней среды, приспосабливаясь к ней.

И, наконец, всеобщим свойством живой материи является дискретность, т.е. прерывистость. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют структурно-функциональное единство.

Отдельные функции встречаются у неживых систем, но только их комплекс отличает живое от неживого.

Основные признаки живого с точки зрения синергетики:

1. живые системы способны к избыточному самовоспроизводству, что ведет к борьбе за жизнь и естественному отбору;

2. компактность. Живые системы содержат информацию о строении и функциях организма в ДНК, размеры и масса которой ничтожна, по сравнению с самим организмом;

3. живые системы – это высокоорганизованные системы с низкой энтропией (мера хаоса, мера обесцененной энергии). Чтобы не достичь состояния термодинамического равновесия, т.е. смерти, организм должен постоянно бороться с возрастанием энтропии. Для этого есть два пути:

• поглощая из внешней среды высокомолекулярные вещества пищи с низкой энтропией, живые организмы возвращают в окружающую среду низкомолекулярные вещества с высокой энтропией. Следовательно, живые системы – это открытые системы;

• деятельность, благодаря которой энергия превращается в полезную работу. Бездеятельность ведет к бесполезному рассеиванию энергии, т.е. возрастанию энтропии (смерти);

4. жизнь организма зависит от двух факторов: наследственности и изменчивости. Следовательно, для живых систем характерно диалектическое единство симметрии и асимметрии;

5. живые организмы – это системы с обратной связью, т.е. реакцией на внешнее воздействие. Различают два вида обратной связи: отрицательная, т.е. такое поведение, которое уменьшает внешнее воздействие. Цель такого поведения – обеспечить стабильность (постоянство) – гомеостаз; и положительная связь, т.е. такое поведение, которое усиливает внешнее воздействие. Благодаря положительным связям организмы могут эволюционировать, эффективно использовать внешнее воздействие;

6. живые системы – это неравновесные системы, что дает возможность реагировать на внешние воздействия; обеспечивает случайное поведение системы, не зависящей от предистории; создает приток энергии в систему, определяя в ней порядок и уменьшая энтропию.

Таким образом, с позиции синергетики, живые системы – это сложные, упорядоченные, компактные, открытые, неравновесные, самовоспроизводящиеся системы с низкой энтропией и обратной связью. Живой считается система, способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и агрессивно взаимодействовать с окружающей средой, повышать свою структурную организацию и кооперировать свои внутренние процессы.

4. В основе воспроизводства жизни лежат процессы размножения. Размножение – свойство живого организма воспроизводить себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни в ряду последовательных поколений. В процессе эволюции сформировались два типа размножения – бесполое и половое. Бесполое размножение – это способ размножения, в котором участвует только одна родительская особь; за счет деления ее соматических клеток образуются новые особи, генотипически идентичные исходной родительской. При бесполом размножении половые клетки не образуются. К бесполому размножению относятся вегетативное размножение, при котором новый организм образуется из части материнского (части тела, почкование, фрагментация) и спорообразование (размножение посредством спор). Половое размножение – способ размножения, при котором новая особь развивается в результате слияния половых клеток (женских – яйцеклеток и мужских – сперматозоидов или спермий). Процесс слияния половых клеток носит название оплодотворения. Таким способом размножаются все эукариоты. Различают три разновидности полового размножения: конъюгация (сближение двух соматических клеток и образование между ними цитоплазматического мостика, через который осуществляется обмен наследственным материалом, после чего особи расходятся – у инфузорий); копуляция (слияние двух одинаковых или разных по форме, размерам и подвижности половых клеток – гамет); партеногенез (новый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки – у плоских червей, насекомых, сложноцветных, пасленовых, злаковых и др.)

Основой размножения является процесс деления клеток. В природе различают три типа деления клеток: митоз, мейоз и амитоз. Митоз – это непрямой способ деления соматических клеток, при котором образуется две дочерние клетки с идентичным набором хромосом, что был в родительском ядре. Митоз впервые наблюдал в спорах плаунов рус. ученый И.Д. Чистяков в 1874 г. Биологическое значение митоза состоит в том, что происходит строго одинаковое распределение между дочерними клетками материальных носителей наследственности – молекул ДНК, входящих в состав хромосом. Амитоз – прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования веретена деления (у одноклеточных организмов, опухолевых клетках, клетках печени, хрящевых клетках). Мейоз – это непрямое деление половых клеток и спор, при котором образуется четыре дочерние клетки с уменьшенным вдвое количеством хромосом. Впервые он был описан В. Флемингом в 1882 г. у животных и Э. Страсбургером в 1888 г. у растений. Важнейшее значение мейоза заключается в обеспечении постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и обеспечении чрезвычайного разнообразия генетического состава гамет.

Основной структурной единицей новых клеток является белок, который синтезируется на рибосомах клетки. Информация о структуре белков организма закодирована в ДНК, расположенной в хромосомах. Участок ДНК, кодирующий информацию об одном белке, называется геном. Многообразие генов ДНК составляет генетический код данного организма или генотип. Биосинтез белка протекает в три этапа: редупликации (удвоение молекул ДНК), транскрипции (в ядре осуществляется списывание информации о структуре белковой молекулы с ДНК на и-РНК по принципу комплементарности (дополнительности) и трансляции (синтез полипептидных цепей белков по матрице и-РНК).

В процессе биосинтеза белка принимают участие следующие вещества: аминокислоты (из них строится белок), нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК (участвуют в хранении и передаче наследственной информации), АТФ (обеспечивает энергией все биохимические процессы), ферменты (являются катализаторами биохимических процессов).

5. Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которая данная биологическая структура занимает в общей системе организации мира.

Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т.е. структурных уровней организации.

Проблема различной степени упорядоченности и организованности живой материи возникла у натуралистов еще в 18-19 вв. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830 г. клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден сформулировал положение о существовании живых тел «различного порядка организованности». Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки не однородна, а состоит из каких-то надмолекулярных частиц.

В 1920 г. амер. философы Г. Браун и Р. Селларс разработали новое понятие «структурные уровни». Согласно их теории, эти уровни различаются не только классами сложности, но и закономерностями их функционирования. Они выдвинули идею иерархической соподчиненности уровней, т.е. вхождение каждого последующего уровня в предыдущий с образованием единого целого, в котором нижний уровень «виден» в самом высшем. Так родилась концепция многоуровневой иерархической «матрешки».

Обычно выделяют такие уровни организации живой материи: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярный уровень организации подразумевает, что любая система состоит из биологических макромолекул органических веществ. С молекулярного уровня начинаются процессы жизнедеятельности.

Клеточный уровень определяет, что структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. К неклеточной форме жизни относят вирусы.

Организменный (онтогенетический) уровень включает саморегулирующуюся иерархическую систему, определяющую согласованную реализацию наследственных признаков и функций, осуществляющихся в пределах автономной живой особи. Термин онтогенез был введен Э. Геккелем еще в 1866 г., который подразумевал под ним рассмотрение особенностей структурной и функциональной организации отдельных организмов (как многоклеточных, так и одноклеточных). Другими словами, онтогенетический уровень – это уровень изучения организма как единого целого. Единицей организменного уровня является особь, которая рассматривается как живая система от момента ее зарождения до смерти, т.е. в процессе онтогенеза.

Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Популяция – это совокупность особей одного вида, имеющих общей генофонд и населяющих определенное пространство с относительно однородными условиями. Термин «популяция» был впервые введен в 1903 г. дат. генетиком В. Иогансоном. Популяция является элементарной единицей эволюции. Вид – это совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.

Биогеоценотический уровень организации – это эволюционно сложившаяся, пространственно организованная, длительно самоподдерживающаяся, однородная природная система функционально взаимосвязанного комплекса живых организмов и окружающей среды. Понятие биогеоценоз было предложено в 1877 г. нем. ученым К. Мебиусом. Такая система характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока солнечной энергии. Живыми компонентами биогеоценоза служат продуценты – производители питательных веществ (зеленые растения и хемосинтетики), консументы – потребители питательных веществ (растительноядные животные, хищники, паразитические растения) и разлагающие органику редуценты. Неживыми компонентами являются солнечная энергия, атмосфера и вода. Устойчивость биогеоценозов зависит от многообразия живых организмов внутри системы и многообразия пищевых (трофических) связей между ними.

Биосферный уровень организации – это совокупность всех биогеоценозов Земли. Термин «биосфера» был введен авст. геологом Э. Зюссом в 1875 г., а учение о биосфере как активной оболочке Земли, в которой осуществляется совместная деятельность всех живых организмов, создал рус. ученый В.И. Вернадский в 1919-1926 гг. Биосфера (по Вернадскому) – это одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определена работой живого вещества.

Объединяющим фактором в пределах каждого уровня организации является обмен веществ и энергии. Однако, несмотря на специфичность каждого из уровней организации все они взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям существования живой материи. Каждый последующий уровень является следствием предыдущего.

Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Ее авторы – англ. химик Дж. Лавлок и амер. микробиолог Л. Маргулис. Сущность этой гипотезы – Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой (совокупностью всех живых организмов Земли) и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и, тем самым, поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. Другими словами, Земля – это живая саморегулирующаяся система. Мы – обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза. Снисходительна к нарушениям, если «она» в хорошей форме, т.е. в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть «ее» к переходу в новое стабильное состояние или полностью уничтожить.

Свою гипотезу Дж. Лавлок и Л. Маргулис вывели из того, что вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая стала рассматриваться как признак жизни. По мнению Дж. Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты. Таким образом, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле.

6. Одним из первых для исследования строения животных и растительных тканей использовал микроскоп Р. Гук в 17 в. При помощи микроскопа Гук обнаружил в 1665 г. клетки на срезе пробки и ввел в науку этот термин для обозначения единиц строения живой материи. Позже Левенгук в 1674 г. описал сперматозоиды человека, бактерии, простейших и ядра в клетках крови. Эти наблюдения за клетками не сопровождались какими-либо существенными открытиями до тех пор, пока в начале XIX в. не была сформулирована клеточная теория, основы которой были заложены нем. учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом в 1839 г. Положения клеточной теории: 1) клетка – главная структурная единица всех живых организмов; 2) клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ; 3) размножение клеток происходит путем деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки; 4) в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции. Значение клеточной теории в развитии науки состоит в том, что благодаря ей стало понятно: клетка – это важнейшая составляющая часть всех живых организмов.

Клетки весьма многообразны. У клеток разный срок существования. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, или гибелью. Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см. Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды мембраной, которая обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром: обмен с ним веществом, энергией и информацией. Другой, не менее важной, частью клетки является ядро, в котором хранится наследственная информация обо всем организме в хромосомах. Клетки могут содержать одно или много ядер (эукариоты). Но могут быть безъядерными, т.е. без четко обособленного ядра, хотя ядерное содержимое имеется и размещено в цитоплазме клетки (прокариоты). Третьей основной частью всех клеток является цитоплазма, которая состоит из коллоидного раствора – гиалоплазмы и органоидов (ЭПС, рибосом, митохондрий, пластид, аппарата Гольджи, лизосом, центриолей и др.). Цитоплазма содержит большое количество воды с растворенными в ней солями и органическими веществами. Цитоплазма – среда для всех внутриклеточных физиологических и биохимических процессов. Она способна к движению.

Отличительные особенности растительной, животной, грибной и бактериальной клеток. Растительные, грибные и животные клетки образуют надцарство ядерных организмов или эукариот. Бактериальные клетки и сине-зеленые водоросли образуют надцарство безъядерных организмов или прокариот. Основными отличиями прокариот от эукариот является отсутствие у прокариот четко обособленного ядра и ядерное содержимое (молекулы ДНК) размещено в самой цитоплазме. Они имеют вид колец. Большинство органоидов отсутствуют (комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии, вакуоли, пластиды). Их функции в клетках прокариот выполняют своеобразные мембранные структуры. Среди структур клетки эукариот в клетках прокариот присутствуют рибосомы, клеточная стенка и клеточная мембрана и у некоторых – жгутики.

В клетках грибов и животных среди органоидов в отличие от растительной клетки отсутствуют пластиды (хлоропласты), поэтому клетки грибов и животные клетки не способны синтезировать органические вещества из неорганических под действием лучей Солнца, как это делают растения. Также отсутствуют клеточная оболочка (целлюлозная), запасающие вакуоли (есть только у грибов). Запасающим углеводом у растений является крахмал, а у животных и грибов – гликоген. Растительные клетки по способу питания – автотрофы, а животные клетки и клетки грибов – гетеротрофы.

7. Органический мир на Земле отличается поразительным многообразием видов (по некоторым сведениям, около 5 млн.). Изучить это многообразие было бы невозможно без систематики – науки, занимающейся вопросами классификации живых существ. Система классификации основана на выделении определенных соподчиненных друг другу систематических категорий – видов, родов, семейств, отрядов, классов, отделов и пр.

Систематика живой материи – это основное поле деятельности традиционной биологии, которая имеет давние истоки своего зарождения (средние века), а ее становление в самостоятельную науку приходится на 18-19 вв.

Вершиной искусственной классификации стала система, созданная К. Линнеем в 18 в., которая систематизировала растительный мир по произвольно выбранным, единичным внешним признакам (поэтому она оказалась искусственной). Однако, она четко отображала закономерности, реально существующие в природе и позволяла выделить растения в отдельные группы. К. Линней называл эти группы таксонами. Он же ввел в научную терминологию бинарную номенклатуру с обозначением рода и вида, а также принцип иерархического соподчинения таксонов и их наименования – классы, отряды, роды, виды, разновидности.

Более близкими к природе была система, созданная позже Ж.-Б. Ламарком в 1803 г. Труд Ж.-Б. Ламарка «Естественная история растений» был построен по принципу развития от простого к сложному. В нем ученый акцентировал внимание на происхождении отдельных групп растений и на основе этого пытался установить родственные связи между разными группами растений.

Учение Ч. Дарвина придало систематике новое, эволюционное содержание, которое наиболее полно отражает в естественной системе отношения между организмами, существующие в природе.

Парадигма искусственной систематизации сменилась принципами естественной классификации, основанной на теории эволюции и исходившей не только из внешнего сходства форм, но и из общности происхождения, родства.

Современная систематика использует для классификации и описания не только частные признаки, но и различные особенности строения, экологии, поведения и т.п., характеризующие организмы. Чем полнее учитываются эти особенности, тем в большей мере сходство отражает родство организмов, объединяемых в ту или иную группу (или таксон).

Главная задача современной систематики – создание такой системы органического мира, которая бы наиболее полно отражала взаимоотношения между организмами.

Современная система живой природы составляет самая крупная таксономическая единица – империя. Мир живой природы в настоящее время представлен двумя империями: 1) доклеточная (вирусы и бактериофаги); 2) клеточная. Клеточная империя, в свою очередь представлена двумя надцарствами: 1) ядерные (эукариоты); 2) безъядерные (прокариоты – бактерии и сине-зеленые водоросли). Основным отличием эукариот и прокариот является отсутствие у прокариот обособленного ядра и более примитивное строение клетки. В науке до сих пор не решен вопрос: Какой тип клеточной организации (прокариоты или эукариоты) был первым? Доминирует мнение о появлении первой прокариотической клетки. При этом неоднозначно решается вопрос: Каким путем появляется из прокариотической клетки эукариотическая? Здесь существуют два мнения: 1) аутогенное – происходило постепенное усложнение морфологической структуры клетки путем дифференциации однородного клеточного содержимого (соответствует идеи эволюции); 2) симбиотическое – несколько прокариот в результате симбиоза дали начало одной эукариотической клетке (соответствует идеи коэволюции).

В свою очередь, надцарство ядерных представлено в современной систематике тремя царствами: 1) грибы; 2) растения; 3) животные. Основным отличием между царствами является способ питания. По способу питания все организмы представлены двумя группами: 1) автотрофы (сами создают органические вещества из неорганических при наличии энергии). В зависимости от вида использованной энергии автотрофы представлены двумя подгруппами: а) фотосинтетики (растения) – используют энергию Солнца для синтеза питательных веществ; б) хемосинтетики (бактерии: серобактерии, железобактерии и пр.) – используют энергию химических реакций; 2) гетеротрофы (используют готовые органические вещества в пище). В зависимости от того, питаются эти организмы соками живых или отмерших организмов, гетеротрофы подразделяются на две подгруппы: а) сапрофиты (человек, грибы и др.) – питаются соками отмерших организмов; б) паразиты (некоторые растения, животные, грибы) – питаются соками живых организмов.

Какой вид питания был первичным? По этому поводу в науке не существует единого мнения. Некоторые (Б. Найт, П. Филдс – 1932) считают автотрофный тип питания первичным, т.к. автотрофы не зависят от сложного органического субстрата, им нужен углекислый газ и вода, которых предостаточно было в первозданной атмосфере, а остальное создадут сами. Другие (Опарин – 1924) придерживаются мнения, что гетеротрофный тип питания был первичным, т.к. первые гетеротрофы удовлетворяли свои потребности за счет веществ, сформировавшихся в первичном бульоне. Доминирует подход о первичности гетеротрофного типа питания.

8. На протяжении тысячелетий господствовало объяснение, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Описание растений и животных ограничивалось характеристикой только внешних признаков. Такова была и наиболее совершенная для своего времени, но оставшаяся в рамках старой парадигмы и поэтому во многом искусственная, классификация швед. ботаника К. Линнея. Он, занимаясь систематикой, отрицал эволюцию живых организмов.

Используя рациональные методы, ряд ученых (фран. Ж.Л.Л. Бюффон, англ. Э. Дарвин, нем. И.В. Гете, рус. М.В. Ломоносов) пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, претерпевают качественные изменения.

Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце 18 в. благодаря работам фран. Ж.Б. Ламарка. Он объяснял изменчивость видов двумя факторами: влиянием внешней среды и наследственность. Но он неверно выделил движущие силы эволюции, определяя их как тренировку органов, стремление к совершенству.

Обобщив отдельные эволюционные идеи, Ч. Дарвин в 1859 г. создал стройную, развернутую теорию эволюции.

Главное историческое значение теории – раскрытие механизма эволюции, в котором решающим фактором, определившим выживание, является приспособленность к среде (адаптация), а движущими силами эволюции он определил естественный отбор, наследственность и изменчивость.

Основные принципы теории эволюции базируются на следующих постулатах:

• в любой популяции, виде животных наблюдается изменчивость у составляющих ее особей;

• некоторые из этих изменений имеют генетическую основу, т.е. унаследованы от родительских особей;

• рождается, как правило, значительно большее число организмов, чем доживает до размножения;

• выживают те, которые наиболее приспособлены.

В дальнейшем, пополнившись данными генетики, экологии, теория Ч. Дарвина трансформировалась в синтетическую теорию эволюции, которая имеет два существенных отличия от дарвиновской: 1) признание в качестве эволюционной элементарной единицы не вид, а популяцию. Вид – это совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство. Популяция – это совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство с относительно однородными условиями обитания; 2) выделение 2-х типов эволюции: микро- (видообразование, как и у Ч. Дарвина) и макро- (филогенез), приводящая к образованию надвидовых таксонов (отряды, классы, отделы и пр.).

Главные выводы:

1. Учение о биологической эволюции – это наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменений и развития живых организмов.

2. Весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде (популяции), определяя главное направление ее развития.

3. Появление элементарных эволюционных изменений в популяции зависит от следующих эволюционных факторов:

• перестройки носителей наследственности – генов (мутационный процесс);

• популяционных волн (резкие колебания численности особей из-за различных природных колебаний: урожая, засухи, похолодания и т.п.);

• изоляции (возникновение барьеров, уменьшающих возможности обмена генетической информации между популяциями географического и биологического характера);

• естественного отбора.

4. Эволюция – это направленный процесс исторических изменений живых организмов.

В 20 в. появляется альтернативная эволюционной концепция коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов, факты альтруизма у животных (забота о потомстве, повиновение вожакам и пр.). Она использует другой подход к объяснению движущих сил эволюции.

Как химическая эволюция – результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Более сложные организмы получаются в результате длительного симбиоза двух и более простых организмов. Пример: травоядные животные могли развиться в результате симбиоза животных и микроскопических паразитов – растений, способных производить ферменты для переваривания веществ (клетчатки); митохондрии в клетках могли произойти от аэробных бактерий; хлоропласты растений когда-то были фотосинтезирующими бактериями.

Л. Маргулис, одна из сторонников этой концепции, считает, что симбиоз – это образ жизни большинства организмов. Пример: 90 % растений существуют вместе с грибами; появление лишайников, слоевище которых состоит из одноклеточных микроскопических водорослей и нитей грибницы. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) является фактором усложнения строения многих организмов. Изучения ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли в результате симбиоза простых.

Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с данными синергетики, и ею можно объяснить образование колоний амеб под влиянием недостатка пищи и образование муравейника. Так происходит переход от целесообразности на уровне организмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом, определяемый тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а объективные внутренние надорганизменные механизмы эволюции.

С токи зрения концепции коэволюции естественный отбор является не «автором», а скорее «редактором» эволюции.