Лекция 2. Общие свойства и функционирование живых систем

1. Гипотезы происхождения жизни (Креационизм, стационарное состоя-

ние, панспермии, абиогенеза).

2. Уровни организации живого.

3. Свойства живой материи.

4. Химический состав живых организмов – атомный (макроэлементы, ми-

кроэлементы, ультрамикроэлементы) и молекулярный состав неорганических

веществ (вода и минеральные соли и их функции) и органические вещества (уг-

леводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты – их структуры и функции).

1. Гипотезы происхождения жизни.

Эволюция протекает на всех уровнях организации живой материи.

В разные эпохи проблемы происхождения жизни и живого решались по

разному. С древности на Земле существую две точки зрения. Одна утверждает о

способности происхождения живого из неживого – теория абиогенеза, другая –

теория биогенеза – отрицает самопроизвольное зарождение жизни.

Теория абиогенеза живые организмы возникают спонтанно из неживого

материала.

Эмпедокл 490–430 г. до н.э., считал, что первые живые существа возникли

из четырёх элементов мировой материи (огонь, воздух, вода, и земля).

Демокрит (460–370 г. до н.э.) мельчайшие частицы находящиеся в движе-

нии, и жизнь есть результат действия механических сил самой природы, приво-

дящей к самозарождению. Из ила и воды, земли когда мельчайшие частицы

встречаются с атомами огня зарождается жизнь.

Платон (427-347 г. до н.э.) утверждал, что организмы возникают из росы,

ила, навоза, волос, пота, мяса, рыбы из морской тины.

Аристотель считал, что животные образуются из разложившегося мяса.

Растения и животные возникают из неживого материала. Создал Лестницу су-

ществ, отражающую последовательность организмов. Начиналась она с неорга-

нических тел и заканчивалась морскими организмами. Аристотель не признавал

развития от низших организмов к высшим.

Случаи самозарождения описаны Цицероном, Сенекой, Плинием, Плу-

тархом. Христианство обосновывает теорию абиогенеза примером из Библии.

Знаменитый врач Парацельс (1498–1541 г.) приводит пример изготовле-

ния гомункулуса (человека) путём помещения спермы человека в тыкву.

В период средневековья господствовал креационизм. Теория сотворения

мира творцом. Лестница тел природа по мнению учёных поддерживающих дан-

ное направление выглядит так: Бог – ангел – человек – животные, растения, ми-

целлы. Доктрина самозарождения не подвергалась сомнению до середины 17–

18 веков. Жизнь - это результат мудрости творца.

Л. Спаланциани считал невозможным самозарождение микроорганизмов.

В 1861-1862 г. Л. Пастер представил доказательства невозможности само-

зарождения в растворах и настоях. Доказал, что источником загрязнений

растворов являются бактерии. Пастер заполнил баллон питательной средой, а

шейке колбы придал S образную форму. Кипячением из баллона выгонялся воз-

дух, который при остывании жидкости возвращался обратно. Микроорганизмы

из воздуха при этом оседали на изгибе шейки и жидкость в баллоне оставалась

стерильной неопределённо долго. Стоило только отрезать шейку колбы, как че-

рез несколько дней в жидкости появлялись бактерии. Появления их можно

было также добиться, наклоняя баллон и смывая микроорганизмы осевшие в

трубке. Принцип «всё живое из живого» по праву считается справедливым и не

знающим ни одного исключения.

Опровержение доктрины абиогенеза сопровождалось формированием

представлений о вечной жизни. Если самозарождение не возможно, то тогда

жизнь вечна и рассеяна во вселенной. Как же она попала на Землю? Чтобы от-

ветить на этот вопрос шведский учёный Аррениус (1859–1927) сформулировал

гипотезу панспермии.

Жизнь переносится с одной планеты на другую под давлением световых

лучей. Сторонники утверждали, что жизнь могла переноситься метеоритами.

Однако гипотеза панспермии вызывала возражения, в том плане, что в космиче-

ском пространстве факторы губительные для микроорганизмов. Становится по-

нятным, что источник жизни нужно искать на Земле.

В 17–18 в. возник вопрос изменяемости видов. Бэкон, Бюффон, и др. до-

пускали изменение организмов под влиянием климата и почвы. К. Линней до-

пускал изменяемость видов по влиянием почвы и климата, скрещивания орга-

низмов разных видов меду собой.

В то время большое значение имел вопрос о «Естественном родстве орга-

низмов». О допущении, что отдельные организмы могли произойти от общих

родоначальников. Бюффон считал, что для млекопитающих было 38 общих ро-

доначальников. Возник вопрос: за какое время шёл процесс образования жизни

на Земле. Ломоносов писал, что время, которое было необходимо для создания

организмов, является большим церковного исчисления.

Существенное внимание привлекал вопрос о прототипе и единстве плана

строения организмов.

Гипотеза трансформизма поддерживалась французскими натуралистами,

в частности Б.де. Маис (1696–1738). Он считал, что в море живут вечные семе-

на жизни, которые дают начало морским живым формам, трансформирующим-

ся затем в земные организмы. Отмечая позитивную роль трансформизма в эво-

люционизме, следует всё же отметить, что он был механическим и исключал

мысль о развитии, об историзме.

Центром внимания был вопрос о возникновении органической целесооб-

разности. Многие философы и натуралисты признавали, что целесообразность

не изначальна, что она возникла естественным путём в результате браковки

дисгармонических организмов. Обсуждение этого вопроса подвигло эволюцио-

низм, но не дало существенного результата, т.к. появление одной формы

рассматривалось независимо от появления другой.

Ж.Б. Ламарк (1744–1829) первый учёный изучал проблемы эволюции и

считал, что первопричиной материи и движения является Творец, но дальней-

шее развитие происходит благодаря естественным причинам. По Ламарку Тво-

рец создал лишь простейшие формы, которые развивались и дали начало всему

многообразию живого. Считал, что живое возникло из неживого и самозаро-

ждение, по его мнению, естественный процесс являющийся начальным пунк-

том эволюции. Развитие от простейших форм до самых сложных составляет

главное содержание истории всего органического мира. Главными причинами

развития жизни по Ламарку является врождённое стремление организмов к

усложнению через совершенствование. Эволюция идёт на основе внутреннего

стремления к прогрессу. Использование (упражнение) органа сопровождается

его дальнейшим развитием, не использование – к деградации. Это наследуется

и ведут к переходу одного вида в другой.

Творцом первой научной теории эволюции стал великий учёный Ч. Дар-

вин (1809–1882). Главным трудом является книга «Происхождение видов

путём естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борь-

бе за жизнь». Движущими силами эволюции Дарвин считал наследственность,

изменчивость и естественный отбор. Классический дарвинизм это учение о ма-

кроэволюции. Однако оно оказалось недостаточно разработанным в генетиче-

ском плане.

Современные предпосылки возникновения жизни базируются на гипотезе

абиогенного возникновения жизни предложенной Опариным.

Существуют космические и планетарные предпосылки возникновения

жизни на Земле: планета Земля крупная и удерживает атмосферу, расстояние

от планеты до солнца оптимально и обеспечивает жидкое состояние воды, а

орбита приближается к круговой, скорость вращения Земли вокруг своей оси

высока для обеспечения равномерного прогрева всей поверхности, солнце по-

стоянно излучает свет.

Первичная атмосфера Земли и химические предпосылки возникновения

жизни. Первичную атмосферу составляли органические вещества со связями

углерод – водород, Углерод – азот, азот – водород, кислород – водород. Так же

имелись метан, вода, водород, углерод, аммиак, окись углерода. Восстановлен-

ный характер атмосферы принято считать химической предпосылкой возникно-

вения жизни.

Условия среды на древней Земле. Атмосфера была бескислородной.

В 1953 г. Г.К. Кюри и Л.С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и

воды действию электрических разрядов. Получили аминокислоты. Также

позднее были получены пурины, нитриты, альдегиды, нуклеотиды и др.

Теория происхождения протобионтов. Коацерватная теория. Опарин

считал, что переход от химической эволюции к биологической требовал воз-

никновения фазовообособленных систем, способных получать энергию из вне и

расти. Отдельные молекулы окружённые оболочкой могут сливаться образуя

многомолекулярные комплексы – коацерваты. Капли отделены от среды гра-

ницей, но способны поглощать вещества по типу открытых систем. На данном

этапе действует отбор капли расти быстро, другие подвергаются распаду. В по-

следующем возникли эукариоты. Крупные амебовидно - подобные клетки

поедали дышащие кислородом аэробные бактерии, способные функциониро-

вать и внутри клетки – хозяина производя энергию. Те амебовидные клетки

внутри которых бактерии оставались невредимыми были в более выгодном по-

ложении. В дальнейшем бактерии симбионты превратились в митохондрии. (в

дальнейшем это растения если с цианобактериями). Когда к клетке - хозяину

прикреплялись жгутикоподобные бактерии появились жгутики и реснички у

клетки - хозяина. В результате подвижность и способность найти пищу резко

возросла (в дальнейшем это животные).

2. Уровни организации живого.

Живое вещество – это то, что образует совокупность тел всех живых орга-

низмов независимо от их принадлежности к той или иной систематической

группе.

Общая масса в сухом виде живого вещества на планете Земля составляет

2,4 – 3,6 * 1012

тонн. Живое вещество не отделимо от биосферы и является од-

ной из самых могущественных геологических сил на Земле. Оно представляет

собой неразрывное единство и уничтожение отдельных компонентов живого

вещества может привести к экологической катастрофе.

Живое вещество обладает общими признаками.

1. Система состоящая из живого вещества способна к росту.

2. Живое вещество является носителем и передатчиком информации.

3. Живое вещество в процессе своей жизни способно к развитию, которое

делиться на два периода – эмбриональное и постэмбриональное.

4. Размножение.

5. Направленный обмен веществ.

Живое вещество на Земле состоит из нескольких царств: Прокариоты, Жи-

вотные, Растения, Грибы.

Живое вещество имеет разные уровни организации.

1. Молекулярно-генный (суборганизменный) – особая форма организа-

ции живого присущая всем организмам, представляющая собой совокупность

органических и неорганических веществ, связанных между собой определённой

структурой и системой биохимических процессов, позволяющих сохранять дан-

ную совокупность соединений как целостную систему, способную к росту, раз-

витию, самосохранению, и размножению в течение всего времени существова-

ния этого организма до смерти.

2. Надмолекулярный (субклеточный) – молекулы различных веществ,

образуют органоиды клетки, каждый органоид имеет определённое строение и

выполняет свои функции.

3. Клеточный - все живое (кроме неклеточных форм жизни) образовано

особыми структурами - клетками, которые имеют строго определенное строе-

ние, присущее как организмам из царства Растения, так и организмам из царств

Животные и Грибы; некоторые организмы состоят из одной клетки, поэтому та-

кие организмы при клеточном уровне соответствуют и новому уровню органи-

зации - организменному (см. пятый уровень организации).

4. Тканевый - характерен для сложных многоклеточных организмов, у ко-

торых произошла специализация клеток по выполняемым функциям, что приве-

ло к образованию тканей - совокупности клеток, имеющих одинаковое проис-

хождение, близкое строение и выполняющих одинаковые или близкие по ха-

рактеру функции; различают растительные и животные ткани; так, у расте-

ний выделяют покровные, основные, механические, проводящие ткани и мери-

стемы (ткани роста); у животных - покровные, нервные, мышечные и соедини-

тельные ткани.

5. Органный - у высокоорганизованных организмов ткани образуют

структуры, предназначенные для выполнения определенных функций, которые

называются органами, а органы объединяются в системы органов (например,

желудок входит в состав пищеварительной системы).

6. Организменный - системы органов объединены в единое целое - орга-

низм, при функционировании которого реализуется жизнедеятельность кон-

кретного живого существа; известно, что в природе существует большое число

одноклеточных организмов (см. второй уровень организации живого вещества).

7. Популяционно-видовой - особи одного вида образуют особые группи-

ровки, живущие на данной конкретной территории и занимающие определен-

ную экологическую нишу, которые называются популяциями, а популяции

одинаковых организмов образуют подвиды и виды.

8. Биоценотический – биоценоз совокупность популяций разных видов,

обитающих на одной территории и взаимодействующих друг с другом.

9. Биогеоценотический - этот уровень организации живого вещества свя-

зан с тем, что на данной территории проживает определенное количество попу-

ляций различных видов (как животных, так и растений, грибов, прокариотов и

неклеточных форм жизни), которые взаимосвязаны друг с другом различными

связями, в том числе и пищевыми.

10. Биосферный - это высший уровень организации живого на планете

Земля, представляющий собой всю совокупность живых существ, живущих на

ней, которые взаимосвязаны друг с другом планетарным круговоротом химиче-

ских элементов и химических соединений; нарушение этого круговорота может

привести к глобальной катастрофе и даже к гибели всего живого.

Следовательно, 1-5 уровни организации характерны для отдельно взятого

организма, а 6-8 - для совокупности организмов. Необходимо помнить, что че-

ловек - это составная часть живого вещества на планете Земля, но его дея-

тельность из-за наличия разума значительно отличается от деятельности других

организмов, и, тем не менее, он составная часть природы, а не ее «царь».

3.Свойства живой материи.

1.Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окру-

жающей средой. Смысл биотических круговоротов заключается в преобразова-

нии молекул, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма и не-

прерывность его функционирования в меняющихся условиях.

2.Самовоспроизведение – способность живых систем воспроизводить

себе подобных. Это свойство осуществляется на всех уровнях организации жи-

вого:

А) редупликация ДНК – на молекулярном уровне;

Б) удвоение пластид, центриолей, митохондрий на субклеточном уровне;

В) деление клетки путём митоза – на клеточном уровне;

Г) поддержание постоянства клеточного состава за счёт размножения

отдельных клеток - на тканевом уровне.

Д) на организменном уровне бесполое или половое размножение.

3. Наследственность заключается в способности организмов передавать

свои признаки потомству. Признак – особенность строения на различных уров-

нях организации живой материи, а под свойствами понимают функциональные

особенности в основе которых лежат конкретные структуры.

4. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки

и свойства; в основе лежа изменения ДНК.

5. Рост и развитие – под развитием живой природы понимают необрати-

мое изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобрете-

нием адаптаций, возникновением новых видов и вымиранием прежде существу-

ющих форм. Развитие представлено онтогенезом – индивидуальным развити-

ем и филогенезом – историческим развитием. Развитие сопровождается ростом

– увеличением массы организма за счёт репродукции структур на всех уровнях

организации внутри организма.

6. Раздражимость – Способность живых организмов избирательно реаги-

ровать на внешние воздействия. Реакция многоклеточных организмов на раз-

дражение осуществляющееся через посредство нервной системы – рефлекс.

У других организмов реакция на раздражение осуществляется в разных

формах:

А) таксисы – это направленные движения организма в сторону раздражите-

ля (+) таксис или от него (-) таксис. Фитотаксис – это движение, направленное к

свету. Различают так же хемотаксис, термотаксис и др.

Б) тропизмы – направленный рост частей растительного организма по от-

ношению к раздражителю напр. к Солнцу против силы тяжести.

В) настии – движения частей растения по отношению к раздражителю (за-

крытие и раскрытие частей цветка).

7. Дискретность (деление на части). Организмы состоят из обособленных,

но тесно связанных частей образующих структурно – функциональное

единство. Клетки состоят из органоидов. Это свойство позволяет осуществить

замену частей с сохранением целостности организма.

8. Авторегуляция – способность живых организмов, обитающих в непре-

рывно меняющихся условиях окр. среды сохранять гомеостаз за счё нервной,

иммунной и других систем.

9. Ритмичность – периодические изменения интенсивности физиологиче-

ских функций и формообразовательных процессов с различными периодами ко-

лебаний.

10. Энергозависимость. Живые тела представляют собой открытые для

поступления энергии системы. Они существуют только при условии поступле-

ния энергии и материи в виде пищи из окружающей среды.

4. Химический состав живых организмов – атомный (макроэлементы, микро-

элементы, ультрамикроэлементы) и молекулярный состав неорганических ве-

ществ и органические вещества.

Одним из свойств живой материи является единство химического состава.

В составе клетки обнаружено почти 90 из существующих на Земле химических

элементов. Однако их роль различна. Наиболее часто в больших количествах

встречаются 12 элементов. О – 65 – 75%, С – 15 – 18%, Н -8 -10%, N – 1,5 – 3,0;

Ca – 0,4 – 2; P – 0,2 – 1,0; K – 0,15 – 0,4; S – 0,15 -0,2; Na –Mg – 0,02 – 0,03, Cl –

0,05 – 0,1; Fe – 0,01 – 0,015%. Очевидно, что кислород, углерод, водород и азот

в сумме составляют более 90% сухого вещества в клетке. Все эти элементы

имеют небольшую атомную массу. Особая роль в образовании сложных орга-

нических молекул принадлежит углероду. Ему для образования прочных связей

с остальными ему необходимо небольшое число электронов – от 1 до 4.

По Вернадскому все элементы по процентному содержанию их в организ-

ме делят на три группы: макро -, микро – и ультрамикроэлементы. Макроэле-

менты - это все ранее представленные, микроэлементы это медь, кобальт, цинк,

молибден, марганец, бор, бром и др. Ультрамикроэлементы серебро, ртуть, бе-

риллий, селен и др.

Достаточно лишь 30 первичных органически молекул для возникновения

живых организмов и их эволюции: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, уг-

леводы – рибоза и дезоксирибоза, глицерин и жирная кислота.

Вода, как правило, составляет 60–90% сырой массы клеток. Вода выполня-

ет следующие функции:

1. растворитель;

2. среда для протекания реакций;

3. активный метаболит, принимает участие в биохимических реакци-

ях, подвергаясь расщеплению или синтезируясь вновь;

4. терморегулятор, поддерживающий тепловое равновесие организма;

5. транспорт;

6. определяет осмотические свойства клеток;

7. вода – источник кислорода, выделяющегося при фотосинтезе.

Минеральные вещества. Составляют 1,5% от массы клетки. По большей

части это ионы, реже соли или кислоты. Наиболее важны ионы: водород, ка-

лий, кальций, магний, хлор. Их функции:

1. ионы, располагаясь по обе стороны мембраны, образуют трансмем-

бранный потенциал.

2. энергия, возникающая при перемещении протона водорода или ка-

тиона натрия через мембрану, используется для синтеза АТФ.

3. ферменты осуществляют катализ лишь при наличии двух буферных

систем фосфатной и карбонатной.

4. катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы.

5. ионы создают осмотический потенциал клетки.

6. фосфат кальция придаёт прочность скелету позвоночных и др.

7. некоторые катионы являются активаторами ферментов марганец,

магний и др.

Органические соединения.

Различают низкомолекулярные (мономеры) и высокомолекулярные (поли-

меры). Для важнейших полимеров – белков и нуклеиновых кислот, перестанов-

ки и новые сочетания мономеров обеспечивают практически неисчерпаемое

разнообразие этих молекул.

Углеводы.

Общая формула углеводов (СН2О)n Их содержание в клетке колеблется от

0,2–2% в расчёте на сухую массу. Высокополимерные углеводы полисахариды

второго порядка состоят из длинных линейных или разветвлённых углеродных

цепочек, образованных молекулами мономеров. Под действием ферментов они

легко гидролизуются, расщепляясь до мономеров. К полисахаридам второго по-

рядка относятся запасные углеводы растений – крахмал (мономер – глюкоза) и

инулин – (мономер – фруктоза), у животных и грибов эту роль выполняет гли-

коген (мономер - глюкоза). Клетчатка – целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин –

структурные полисахариды клеточной стенки растений, муцин в комплексе

формирует основу гликокаликса на поверхности клеточной мембраны. Хитин –

главный компонент стенки грибов, покровов насекомых и ракообразных.

Полисахариды выполняют структурную, защитную, запасающую функции.

Углеводы являются субстратом дыхания первого порядка.

Липиды. Это эфиры трёхатомного спирта глицерина и жирных кислот:

пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, и др.

Огромна их роль в формировании структуры мембраны. К липидам отно-

сятся и воска находящиеся на поверхности листьев, плодов растений.

Липоиды. По составу схожи с липидами, но не содержат жирных кислот.

Представлены стероидами и терпенами. Стероиды входят в состав желчи, вы-

полняют функции половых гормонов – тестостерон, эстроген; к ним относят

гликозиды растений. Терпены – соединения входящие в состав эфирных масел

растений (ментол, камфора); гормоны роста растений – гиббереллины; пигмен-

ты группы каротиноидов; составная часть молекул хлорофилла, натуральный

каучук. Функции липидов: структурная, запасающая, терморегуляторная, энер-

гетическая, источник воды, регуляция обменных процессов.

Пигменты. Окрашенные высокомолекулярные вещества. К пигментам ме-

таллопорфиринам относят содержащие атом металла в центре четырёх пяти-

членных пирольных колец ядра (хлорофилл, фикобиллины – поглощающие

кванты света), гемоглобин определяет окраску крови, является дыхательным

пигментом. В хлоропластах растений содержится большое количество жёлто –

оранжевых пигментов – каротиноидов. К пигментам относят меланин, желчные

пигменты – билирубин, биливердин.

Гормоны – органические вещества различной природы и происхождения,

которые оказывают регулирующее действие на функциональное состояние си-

стем органов. У животных гормоны выполняют следующие функции:

1. регулируют рост

2. участвуют в формировании адаптивных реакций

3. регулируют работу систем организма

4. обеспечивают гомеостаз.

Фитогормоны в растениях регулируют физиологические процессы и мор-

фогенез.

Живые системы способны функционировать, только благодаря всем факто-

рам необходимым для их жизнедеятельности.

Лекция 3. Единица биологической жизни.

Размножение и индивидуальное развитие организмов

1. Основные положения клеточной теории.

2. Строение клетки. Клеточный цикл.

3. Размножение организмов - половое и бесполое. Оплодотворение (на-

ружное и внутреннее). Типы онтогенеза.

4. Наследственность и изменчивость. Селекция.