материя клетка морфофункциональный система

Единственными представителями доклеточной организации живой материи являются вирусы.

Вирус - это неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток.

На сегодняшний день детально описано свыше пяти тысяч видов вирусов. Учеными предполагается существование миллионов видов. Изучением вирусов занимается вирусология. Вирусология является разделом микробиологии.

Вирусы способны поражать все типы организмов: от бактерий и архей до растений и животных. Вирусы, поражающие бактерии называют бактериофагами. Вирусы, которые поражают другие вирусы называются сателлитами.

История изучения вирусов началась со статьи Ивановского Дмитрия Иосифовича, описывающей небактериальный патоген растений табака. А первым открытым и официально описанным вирусом стал вирус табачной мозаики, открытый голландцем Мартином Бейеринком в 1898 году.

Происхождение

Строение вирусов

Вирусные частицы, называемые варионами, состоят из трех компонентов:

• 1. Генетический материал. ДНК или РНК. Некоторые виды имеют оба типа молекул.
• 2. Капсид - белковая оболочка. Служит для защиты ДНК/РНК.
• 3. Дополнительные липидные оболочки.

По первому признаку вирусы делят на ДНК - содержащие и РНК - содержащие. На этом принципе основана классификация вирусов по Балтимору. Классификация ICTV разделяет вирусы на отряды, семейства, подсемейства, роды и виды.

Капсиды вирусов разделяют на четыре класса:

• 1. Спиральный
• 2. Икосаэдрический
• 3. Продолговатый
• 4. Комплексный

Средний вирус примерно в сто раз меньше средней бактерии. Поэтому большинство из них неразличимы под световым микроскопом.

Жизненный цикл

Обычно выделяют шесть этапов жизненного цикла вируса:

• 1. Прикрепление - это образование специфичной связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Специфичность связывания определяет круг хозяев вируса.
• 2. Проникновение в клетку.
• 3. Лишение оболочек - процесс потери капсида.
• 4. Репликация вирусов.
• 5. Сборка вирусных частиц.
• 6. Выход из клетки.
• 4. Клетка как морфофункциональная единица живого

Клетка - элементарная единица живого организма.

Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток, поэтому клетка считается мельчайшей единицей всего живого. Клетка обладает всеми признаками живого, ей свойственны раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Клетка - это сложное, самоорганизующееся образование органоидов, являющееся микроносителем жизни, так как в каждой клетке заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Все организмы состоят из одной или многих клеток. Размеры клеток варьируются от 0,1 мкм до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).

Жизнь каждой клетки подчинена деятельности всего организма в целом. Клетки многоклеточных организмов неспособны к существованию в открытой среде, за исключением одноклеточных организмов - бактерий, простейших водорослей, грибов. Составляющие клетку части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей - плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации - ДНК. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой - клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Рис. 1

Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки - обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма , содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы - маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии -мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца - рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65-85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро , а в нем - хромосомы - длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате согласованной активности составляющих его клеток.

Жизненно важными функциями клетки являются подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение. Подвижность клетки выражается во внутриклеточной циркуляции содержимого клетки, перетекании, биении крошечных протоплазматических выростов, сократимости. Раздражимость определяется способностью клетки воспринимать стимул и реагировать на него импульсом или волной возбуждения. Это наиболее свойственно нервным клеткам организмов. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, происходящие в клетках.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления и образования дочерних клеток. По мере роста клетки ухудшается питание её отдельных элементов, способность управления внутренними процессами клетки снижается, клетка приходит в неустойчивое состояние. Далее происходит деление клетки на две дочерние, как выход из неустойчивого состояния, новообразованные клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. В любом организме на протяжении всей его жизни идёт процесс замены старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизни клеток человека - один-два дня, а общее количество клеток - примерно 10 15 . Именно способность воспроизводить самих себя, а не только способность расти и питаться и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого.

Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца - центриоли , расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования - пластиды, которых нет у животных. И в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы - прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам - все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 4-3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Роль клетки в эволюции живого

Появление первой примитивной клетки стало началом биологической эволюции жизни на планете. Что послужило причиной возникновения именно живой клетки из неживого, до сих пор неизвестно, существует несколько гипотез, однако большинство из них говорит о том, что имел место некий доклеточный предок - протобионт , из которого впоследствии сформировалась древнейшая клетка. Механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции, предложенная ученым А.И. Опариным в 20-х гг., предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки - основной структурной единицы жизни, способной к росту и размножению. Очевидно, археклетка была отграничена от внешней среды двухслойной оболочкой (мембраной), обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и маленькие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединениях. Для строения археклетки характерно наличие клеточного скелета, отвечавшего за целостность клетки, а также обеспечивавшего возможность ее деления.

Первыми возникшими на Земле одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром - прокариоты. Они жили в безкислородной среде и питались готовыми органическими соединениями - веществами, синтезированными в процессе химической эволюции. Однако по мере наполнения атмосферы земли кислородом, многим бактериям пришлось приспособиться к кислородному дыханию - фотосинтезу, что явилось поворотом в эволюции живого. Фотосинтез ускорял биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом. Долго длившийся процесс перехода к фотосинтезу привел примерно 2,6 млрд. лет назад к возникновению первых, имеющих ядро организмов - эукариотов. Это были более совершенные организмы, в ядре которых были сконцентрированы хромосомы с ДНК, сама клетка воспроизводилась уже без серьёзных изменений.

Последующая эволюция эукариотов связана с разделением этих организмов на животные и растительные (примерно 2,6 млрд. - 570 млн. лет назад). Растительные клетки эволюционировали в сторону развития жесткой целлюлозной оболочки клеток и активного использования фотосинтеза, животные же клетки «выбрали» увеличение способности к передвижению, а также усовершенствовали способы поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующими важными этапами в эволюции живого мира стало половое размножение (около 900 млн. лет назад) и появление многоклеточных организмов с телом, тканями и органами, выполняющими определённые функции (700-800 млн. лет назад). Это были губки, черви, членистоногие и т.п. К тому времени мировой океан уже заселяли водоросли.

Подводя итог, можно сказать, что именно выделение живой самостоятельной клетки из окружающей среды и стало толчком к началу эволюции жизни на земле и роль клетки в развитии всего живого является главенствующей.

5. Эволюционная концепция биологического уровня организации материи

5.1. Биология в контексте интеллектуальной культуры

Современная биология – это совокупность наук о живой природе . Основные направления биологических исследований представлены в виде схематической таблицы.

Мы видим, что даже простое перечисление основных направлений биологических исследований уже указывает на невозможность детального изучения биологии, как собственно говоря, и любой из основных естественных наук в рамках дисциплины «Концепции современного естествознания».

Опираясь на основные идеи естественных наук, сформулированные американскими физиками Р. Хейзеном и Д. Трефилом, мы очертим основные направления биологических исследований всего в четырех фразах:

Всё живое состоит из клеток, представляющих заводы жизни.

Всё живое основано на генетическом коде.

Все формы появились в результате естественного отбора.

Всё живое связано между собой (в этой фразе заключена суть всей биоэкологии).

При этом мы выделим три среза естественнонаучной картины мира для живой природы. С точки зрения стратегий познания, к классическому естествознанию следует отнести натуралистскую биологию, к неклассическому физико-химическую биологию, к эволюционной концепции стрел времени – эволюционную биологию.

В качестве центральной темы мы особое внимание уделим биологии человека, опираясь на экобиологию, как науку о ценности живой природы в интеллектуальной культуре личности и общества.

Обсудим, прежде всего, что же такое натуралистская биология как реализация классической стратегии познания природы. Объектом изучения в ней всегда была и остается живая природа в её естественном состоянии. Её методом стало тщательное наблюдение и описание явлений живой природы, а главной задачей их систематизация. Фундаментальный вклад в её решения внес К. Линней, с именем которого связано введение бинарной (в терминах рода и вида) номенклатуры живых объектов, а также принципа иерархического соподчинения таксонов и наименования таксонов – царства , типы , классы , отряды , семейства , роды , виды . Так человек относится к царству животных, подцарству многоклеточных животных, к типу позвоночных, подтипу черепных, классу млекопитающих, отряду приматов, подотряду человекоподобных высших обезьян, надсемейству человекоподобных приматов, семейству людей, роду – человек, виду – человек разумный (homo sapiens).

С тех пор развитие биологии прошло много этапов, на которых существенную роль стали играть идеи расчленения живой материи на составные части как чуть ли не единственный путь познания её тайн. Однако натуралистская биология продолжает играть важнейшую роль и сегодня. Объектом изучения биологов – натуралистов является живая природа в её целостном виде, во всём многообразии и сложности составляющих её объектов и явлений. В наши дни такой подход к живой природе находит отражение в усилении роли не только биоэкологии, но и глобальной экологии, которая ныне занимает чуть ли не господствующее положение не только в биологии, но и во всем естествознании.

Разнообразие живого поражает любое воображение . Мы приведём классификацию крупных систематических групп живых организмов только по типу питания, опираясь на таксоны в виде надцарств в структурном плане отличия живого от неживого клеточным строением.

Схема 50. Типы питания крупных систематических групп живых организмов (по А.Л. Тахтаджяну, 1976, с изменениями).

Прокариотами (лат. pro – вперед, вместе и греч. karyon – ядро) называются организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром.

Эукариотами (греч. eu- хорошо и karyon -ядро) называются организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделённое оболочкой от цитоплазмы.

С экологических позиций взаимосвязи всего живого с живым и обмена веществом и энергией важно охарактеризовать следующие группы организмов.

Автотрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических – углекислого газа, воды, минеральных солей.

В зависимости от источника энергии автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтотрофов. Фототрофы – организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, бактерии). Хемотрофы – организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (бактерии).

Гетеротрофы – организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий). По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов и сапротрофов. Биотрофы питаются живыми организмами. Сапротрофы используют в качестве пищи органические вещества мертвых тел или выделение (экскременты) животных.

Некоторые живые организмы в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Они называются миксотрофами (насекомоядные растения, представители отдела энгленовых водорослей и др.).

Итак, мы видим, что, несмотря на то, что человек интуитивно понимает и различает живое и неживое, определение сущности живого можно дать только опираясь на физико-химическую биологию, т.е. само определение живого относится к неклассическому и эволюционному естествознанию. Обобщая достижения современного естествознания, М.В. Волькенштейн определил живые тела «как открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот» (Волькенштейн М.В. Современная физика и биология // Вопросы философии. 1989, №8, с. 9).

В вещественном плане в состав живого обязательно входят биологические вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК); в структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением; в функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя.

Важно также отметить, что как на уровне неживой материи, так и живой материи дисимметрия творит явление , не только в функциональном, но и в структурном плане. Фундаментальным признаком, присущим только живой материи, её неотъемлемым свойством является дисимметрия «право-лево» биомолекул, т.е. отсутствие зеркальной симметрии, называемое молекулярной хиральностью (киральностью).

Человек, как существо биосоциокультурное, естественно в своей интеллектуальной культуре особое внимание обязан уделить изучению структурных уровней организации живой материи , явно осознавая, что стремление человека к удовлетворению своих потребностей (витальных, социальных, идеальных и самоценных) неотделимо от его знания и отношения с окружающей средой. Витальные потребности связаны с жизнеобеспечением человека как биологического существа. Социальные потребности обусловлены жизнью человека в обществе. Идеальные потребности связаны с появлением у человека сознания и интеллектуальной сферы культуры. Самоценные потребности, являясь вторичными потребностями, проявляются в действии, формировании воли, самости.

«Великая цель образования, - как сказал известный английский философ и социолог Герберт Спенсер, - это не знания, а действия». Мы бы добавили, действия с опорой на интеллектуальную сферу культуры, т.е. с опорой на знания и интеллект, выраженному в способности к рациональному (разумному) мышлению, порой приводящему к разрывам между желаниями и убеждениями и самим действиям, как в временном аспекте, так и в процессе формирования самоценных потребностей.

5.2. Структурные уровни биологической организации материи

на Земле

Структурные уровни организации живой материи имеют достаточно сложную, многоуровневую систему. Мы выделим четыре главных структурных уровня биологической организации материи на Земле, не вдаваясь в гипотетические возможности биологической организации внеземной материи.

Схема 51. Главные структурные уровни биологической организации земной материи.

Все структурные уровни биологической организации материи на Земле естественно взаимосвязаны с геохронологической стрелой (шкалой) времени, из которой возникает биологическая стрела времени, опираясь на концепцию биохимического единства живого, развитую в 1920-х годах благодаря трудам голландских микробиологов А. Кловера и Г. Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонних исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего живого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др.

Биологическая стрела времени опирается на гипотезу о возникновении жизни как естественном этапе саморазвития земной материи и при её рассмотрении необходимо поэтапно рассмотреть эволюцию на молекулярно-генетическом, онтогенетическом, популяционно-видовом и биогеоценотическом уровнях структурной биологической организации земной материи. Определяющей концепцией такого рассмотрения является генетическая гипотеза происхождения живого.

5.3 Генетика и эволюция

Уже в названиях главных структурных уровней биологической организации земной материи присутствует взаимодействие трёх срезов естественнонаучной картины мира для живой природы: натуралистской, физико-химической и эволюционной биологий с генетикой и экологией.

Генетика возникла при изучении онтогенетического уровня. Генетика (от греч. genetic-происхождение) – наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Первый шаг в познании закономерностей наследственности сделал выдающийся чешский исследователь Грегор Мендель (1822-1884гг). Г. Мендель показал, что признаки организмов определяются дискретными (отдельными) наследственными факторами. Работа Г. Менделя отличалась глубиной и математической точностью. Однако она оставалась неизвестной почти 35 лет - с 1865 до 1900 года.

Переоткрытие законов Менделя в 1900 г. (независимо тремя учёными - Х. Де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии) вызвало стремительное развитие генетики с постепенным проникновением её основ во все структурные уровни живой материи. Элементарные единицы наследственности стали называть генами . Г. Мендель выделил доминантные признаки, проявляющиеся у гибридов первого поколения, и рецессивные , не проявляющиеся у гибридов первого поколения. Кроме того, фактически он ввёл понятие гомозиготных и гетерозиготных особей. Особи, не дающие расщепление признаков в следующем поколении, получили название гомозиготных (от греч. «гомос»- равный, «зигота»- оплодотворённая яйцеклетка). Особи, в потомстве которых обнаруживается расщепление назвали гетерозиготными (от греч. «гетерос»- другой).

Для понимания взаимосвязи понятий гомозиготы и гетерозиготы с генами было введено понятие аллельных генов или аллелей. Гены, определяющие альтернативное развитие одного и того же признака и расположенные в индентичных участках гомологичных хромосом, называют аллельными генами или аллелями. Хромосомы – элементы ядра клетки, содержащие гены (молекулы ДНК); ДНК- хромосом содержит информацию о наследственности и отвечает за передачу её вновь образованным клеткам. Геномом является участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака, или синтез одной белковой молекулы.

Любой диплоидный организм, будь то растение, животное или человек, содержит в каждой клетке два аллеля любого гена. Исключение составляют половые клетки – гаметы . В результате мейоза (способа деления клеток, в результате которого число хромосом уменьшается в два раза), число гамет удваивается, но каждая гамета имеет лишь по одному аллелю . Схематически гетерозиготная особь обозначается так: , но её можно записать и как Аа. Гомозиготные особи при подобном обозначении выглядят так: или , но их можно записать и как АА и аа.

Кроме того, были введены понятия «генотип» и «фенотип» - очень важные в генетике. Генотип – совокупность всех генов, локализованных в хромосомах данного организма; совокупность всех наследственных факторов организма; система взаимодействующих генов организма. Фенотип – совокупность всех признаков организма, начиная с внешних и кончая особенностями строения и функционирования клеток и органов. Фенотип формируется под влиянием генотипа и условий внешней среды.

Г. Мендель сформулировал свои законы на основе гибридологического метода, исследуя строго математически опыты по скрещиванию разных сортов гороха. Скрещивание двух организмов называется гибридизацией; потомство от скрещивания двух особей с различной наследственностью называют гибридным, а отдельную особь гибридом .

Гибридологический метод лежит в основе современной генетики, так как законы Менделя, как было установлено генетиками, имеют широкое распространение среди растений, животных, грибов.

При скрещивании двух организмов, относящихся к разным линиям (двух гомозиготных организмов), отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, всё первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей (первый закон Менделя – закон единообразия первого поколения и доминирования одного признака над другим ).

Множественный аллелизм характеризует разнообразие генофонда (генофонд - качественный состав и относительная численность разных форм (аллелей) различных генов в популяциях того или иного организма).

При скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозиготных особей) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1 (второй закон Менделя - закон расщепления ).

Закон чистоты гамет можно сформулировать следующим образом: при образовании половых клеток в каждую гамету попадает только один ген из каждой аллельной пары.

При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (третий закон Менделя – закон независимого расщепления ).

Законы Г. Менделя носят статистический характер и выполняются лишь при большом количестве изучаемых гибридных особей.

Когда Мендель ставил свои опыты, науке ещё ничего не было известно ни о хромосомах и генах, ни о митозе (в митозе хромосомы удваиваются путём продольного расщепления их и равномерного распределения между дочерними клетками) и мейозе. Несмотря на это, Мендель, точно учтя и обдумав результаты расщепления, понял, что каждый признак определяется отдельным наследственным фактором, и факторы эти передаются из поколения в поколение по определенным законам, которые он и сформулировал.

Большую работу по изучению наследования неаллельных генов, расположенных в паре гомологичных хромосом, выполнили американский учёный Т. Морган (1866-1945 гг.) и его ученики. Учёные установили, что гены, расположенные в одной хромосоме, наследуют совместно, или сцеплено. Сцепленное наследование генов, локализованных в одной хромосоме, называют законом Моргана .

Морган и его ученики исследовали как сцепленное наследование, так и явление перекреста (возникновение новых гамет в перекресте гомологичных хромосом, которые в процессе мейоза перекрещиваются и обмениваются участками) и показали возможность построения карт хромосом с нанесённым на них порядком расположения генов. В результате возникла возможность сравнивать строение генома , то есть совокупности всех генов гаплоидного набора хромосом у различных видов, что имеет важное значение для генетики, селекции, а также эволюционных исследований.

В частности возникла генетика (хромосомное определение) пола . У человека решающую роль в определении пола играет -хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим -хромосому, развивается женский организм, который является гетерозиготным по половому признаку. Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид, содержащий -хромосому, развивается мужской организм, который является гомозиготным по половому признаку.

Возникает более ясное определение генотипа, как системы взаимодействующих генов . Взаимодействуют друг с другом как аллельные, так и неаллельные гены, расположенные в различных локусах одних и тех же и разных хромосом.

Фенотип каждой особи есть результат взаимодействия её генотипа с условиями окружающей среды. Таким образом, генетика тесно взаимодействует со здоровьем и онтогенезом, играя такую же важную роль, как и окружающая среда и условия проживания особи или индивида.

Чтобы сделать такое взаимодействие «управляемым», генетика особо бурно развивается как на уровне изучения организма, органов, тканей и клеток, так и на молекулярно-генетическом уровне. Так макромолекулы ДНК являются носителями наследственной информации. Вся информация, заключённая в ДНК, называется генетической. Идея о том, что генетическая информация записана на молекулярном уровне и что синтез белков идёт по матричному принципу, впервые была сформулирована ещё в 1920-х годах выдающимся отечественным биологом Н.К. Кольцовым. Модель строения молекулы ДНК предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году (см. схему 52). Она полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.

Схема 52. Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК.

Молекулы ДНК в основном находятся в ядрах клеток и в небольших количествах в митохондриях и хлоропластах. Наконец, ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. При этом, на одной из её цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируется и макромолекула РНК.

РНК – так же, как ДНК, представляет собой биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Азотистые основания трех нуклеотидов те же самые, что входят в состав ДНК (адепин, гуапин, цитозин), четвертое – урацил - присутсвует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК и по строению входящего в их состав углевода: они включают другую пентозу - рибозу (вместо дезоксирибозы). В цепочку РНК нуклеотиды входят путем образования связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.

РНК переносят информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. о структуре белков, от хромосом к месту их синтеза, т.е. участвует в синтезе белков. По структуре различают двухцепочные и одноцепочные РНК. Двухцепочные РНК являются хранителями генетической информации у ряда вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом.

Существует несколько видов одноцепочных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местонахождением в клетке.

Большую часть цитоплазмы (до 80-90%) составляет рибосомальная РНК (р-РНК), содержащаяся в рибосомах. Молекулы р-РНК относительно невелики и состоят из 3-5 тысяч нуклеотидов. РНК зависит от длины участка ДНК, на котором они были синтезированы.

Схема 53. Структура т-РНК.

А,Б,В,Г – участки комплементарного соединения,

Д – участок соединения с аминокислотой,

Е – антикодон.

Молекулы информационной РНК (и-РНК) могут состоять из 300-30000 нуклеотидов.

Транспортные РНК (т-РНК) включают 76-85 нуклеотидов. Выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, «узнают» (по принципу комплементарности) триплет и-РНК, соответствующий переносимой кислоте, осуществляют точную ориентацию аминокислоты на рибосоме.

Огромное количество отобранных эволюцией уникальных сочетаний аминокислот воспроизводится путём синтеза нуклеиновых кислот с такой последовательностью азотистых оснований, которая соответствует последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трёх нуклеотидов - триплет . Так, аминокислоте цистеину соответствует триплет АЦА, валину – ЦАА, лизину – ТТТ и т.д. Таким образом, определённые сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК является генетическим кодом, несущим информацию о структуре белка .

Код включает все возможные сочетания трёх (из четырёх) азотистых соединений. Таких сочетаний может быть , в то время как кодируется только 20 аминокислот. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надёжности передачи генетической информации.

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, а также именно на основе генетики были сформулированы основные аксиомы биологии.

Аксиома 1 . Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по её изготовлению . Жизнь на основе только одного генотипа или фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни её самоподдержания.

(Д. Нейман, Н. Винер)

Аксиома 2 . Генетические программы не возникают заново, а редицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения используется ген предыдущего поколения. ­Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

(Н.К. Кольцов)

Аксиома 3 . В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина её становления, потому что без мутаций отбор не действует . Эта аксиома основана на принципах статистической физики и принципе неопределенности.

Аксиома 4 . В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема.

(Н.В. Тимофеев-Ресовский)

Последняя аксиома биологии указывает и на достаточно трудный путь антропологического исследования родословной человека и право на существование различных теорий происхождения жизни. Более того, проблема происхождения и предназначения человека на Земле и в Космосе может быть решена в рамках целостной культуры и картины мироздания (бытия), включая мифологическую, религиозную, философскую и естественнонаучную картины мира.

5.4. Основные теории происхождения жизни на Земле

История жизни на Земле скрывает много тайн. Будут ли они когда-нибудь раскрыты, покажет будущее развитие науки.

Мы ограничимся культурно-историческим рассмотрением всех гипотез возникновения жизни на Земле. В рамках же естественнонаучной концепции особое внимание уделим конструктивно-теоретическим моделям теории биохимической эволюции.

Так как биологическое время – возраст обладает «стрелой времени», направленной от прошлого к будущему и описывается триадой: рождение – старение – гибель, то эволюционная идея возникла уже в мифологии и сформировалась в античной натурфилософии в теорию самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества, при этом предполагалось многократное зарождение на основе наивного трансформизма путем случайного сочетания отдельных органов (Эмпедокл, 495-435 до н.э.), внезапном превращении видов (Анаксимен, 384-322 до н.э.). Аристотель (384-322 до н.э.) оформил теорию самопроизвольного зарождения жизни в теорию постепенного развития живых форм (от простого к сложному), которая пересекается в средние века с теорией креационизма.

Креационизм (созидание, творение) – содержит тезис о божественном творении мира и человека. Согласно этой теории жизнь – результат сверхъестественных событий в прошлом. Многие ученые в эстетике мышления фактически объединяют эволюционную идею с креационизмом. Нам представляется оправданной эстетика мышления российского философа ХХ века Мераба Мамардашвили, приводящая к пересечению сакрального и секулярного мышления в «точке встречи, которой мы помыслили мысль, которую невозможно иметь волей или желанием мысли. Она помыслится или не помыслится. И если помыслится, если мы в этой точке пересечения в полноте собранного бытия, она мимо нас не пройдет. Тогда мы достойны этой мысли или говоря иначе, достойны дара. Дар не вытекает из наших заслуг, мы достойны его, лишь когда он с нами случится и это путь по дуге, а не по горизонтали, поскольку мы сцеплены и сращены с высшим, сверхсознательным».

В ХVII веке возникла теория биогенеза , которая сводится к утверждению, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, т. е. «живое от живого.» Она была сформирована итальянским врачом и биологом Ф. Реди и известна в литературе как «принцип Реди». Французский биолог Луи Пастер в 1862 году убедительными опытами доказал невозможность самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях и утвердил принцип «все живое из живого». Эстетика мышления основателя современной микробиологии и иммунологии Л. Пастера явно пересекается с креационизмом в следующем высказывании: «Чем более я занимаюсь изучением природы, тем более я останавливаюсь в благоговейном изумлении перед делами Творца. Я молюсь во время работ своих в лаборатории».

Принцип дополнительности эволюционных идей с креационизмом характерен и для принципа развития Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который постулировал следующие положения: организмы изменчивы; виды (и другие таксономические категории) условны и постепенно преобразуются в новые виды; общая тенденция исторических изменений организмов – постепенное совершенствование их организации (градация), движущей силой которой является изначальное (заложенное Творцом) стремление природы к прогрессу. Для ламаркизма характерны два дополняющих друг друга признака: телеологизм – как присущее организмам стремление к совершенствованию, организмоцентризм – признание организма в качестве элементарной единицы эволюции.

Чарльз Дарвин (1809 - 1882), обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную развернутую теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а в качестве элементарной единицы эволюции организм каждого вида, т. е. фактически отдельных особей. Выживающие особи дают начало следующему поколению, и таким образом «удачные» положительные изменения передаются следующим поколениям. Очень часто теорию естественного отбора Чарльза Дарвина противопоставляют креационизму. Однако обратимся к эстетике мышления Чарльза Дарвина: «Мир покоится на закономерностях и в своих проявлениях представляется, как продукт разума – это указание на его Творца».

«Бог, воистину dues ex machine, позволяет перескочить пропасть между живым и мертвым, природой и духом, сохранив при этом и пропасть».Бог (Творец) – это сложная, творческая конструкция нашего ума, демонстрирующая способность цивилизующего человечества мыслить абстрактно. В средние века теория креационизма оформляется в конфессиональных философских теологиях и религиях, в основе которых лежит тезис: «Бог познается только через веру», тем самым религия отделила веру в божественное творение мира от науки, т. е. от научного метода познания мира, опирающегося на совокупность эмпирических и теоретических методов. В то же время добро и зло получают в религии священную санкцию и человек обретает внутренний покой и свет для труда в нашем несовершенном мире. Наиболее ярко это выражено в следующем поучение М.В. Ломоносова: «Не здраво рассудителен математик, ежели он хочет Божественную волю измерить циркулем. Таков же богословия учитель, если он думает, что по Псалтарю можно научиться астрономии и химии».

Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением ее из других космических миров. В 1865 году немецкий врач Г. Рихтер выдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствие с которой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство могут переносится с одной планеты на другую. Возникла теория стационарного состояния , согласно которой жизнь существовала всегда, опирающаяся в определенной степени и на «принцип Реди». Эта гипотеза была поддержана многими ученными XIX века – У. Томпсоном, Г. Гельмгольцем и другими. Теорию стационарного состояния в определенной степени разделял и наш великий ученый В.И. Вернадский, считавший, что жизнь на Земле появилась одновременно с появлением Земли.

Теория стационарного состояния в модели Рихтера пересекается с теорией панспермии , которую в 1907 году выдвинул известный шведский естествоиспытатель С. Аррениус: «Во Вселенной вечно существуют зародыши жизни, которые движутся в космическом пространстве под давлением световых лучей; попадая в сферу притяжения планеты, они оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого». Конструктивно – теоретические возможности панспермии подтверждаются рядом экспериментов: обнаружением следов органических соединений в метеоритном и кометном веществах, предшественников аминокислот в лунном грунте, следов микроорганизмов в метеорите предположительно марсианского происхождения. Очевидно, что эти открытия второй половины XX века будут расширены по мере освоения человеком космического пространства.

Однако в рамках естественнонаучного принципа глобальной эволюции теория стационарного состояния не продуктивна, а теория панспермии так же не предлагает ни какого механизма для объяснения первичного возникновения жизни; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Итак в рамках эволюционных «стрел времени» на основе принципа дополнительности остаются две взаимоисключающие, а возможно дополняющие друг друга, по крайней мере в эстетике мышления, теория креационизма и теория биохимической эволюции. На наш взгляд, в пересечении этих теорий представляется неоправданным как вера в религиозный фанатизм, так и в научный абсолютизм. Нам представляется, что чувство «религиозной веры в высшее, сверхсознательное и преклонения» перед гармонией природы на Земле и в Космосе и убеждения что в «концептуальном фонде (как и в генофонде) Земли» все элементы значимы и важны является основой не только духовной, но и материальной культуры человеческой цивилизации.

В пользу неслучайного характера процесса как зарождения, так и развития жизни говорит антропный принцип, сформулированный в 70-е годы XX века. Его сущность заключается в том, что даже незначительное отклонение значения любой из фундаментальных констант приводит к невозможности появления во Вселенной высокоупорядоченных структур. Например, увеличение постоянной Планка на 10% лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть становиться невозможным нуклеосинтез. А уменьшение постоянной Планка на 10% привело бы к образованию устойчивого ядра 2 He, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной, либо коллапс звезд на более поздних стадиях. Наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых совпадениях, граничащих с чудом. (более подробно: Barron J.D., Tipler F.J. The antropic cosmological principle, Oxford, 2-nd., ed., 1986). По мнению ученого-физика Дж. Уилера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир».

В то же время конструктивно-теоретические модели биохимической эволюции опираются на гипотезу, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Тем самым мы ставим оправданно или нет законы физики и химии в центр «всего механизма, конструирующего мир».

Первые три этапа относят к периоду химической эволюции, с четвёртого начинается биологическая эволюция. Представление о химической эволюции подтверждены рядом экспериментов. Начало этой работы было положено в 1953 г. С. Миллером и Г. Юри, которые при воздействии искрового заряда на газовую смесь из метана, и паров воды получили набор малых органических молекул, впервые показав возможность абиогенного синтеза органических соединений в системах, имитирующих предположительный состав первичной земной атмосферы.

Сложные процессы химической эволюции, которая переходит в биохимическую и биологическую эволюцию, могут быть выражены в виде простой последовательности: атомы простые молекулы сложные макромолекулы и ультрамолекулярные системы (пробионты)

одноклеточные организмы.

Первые клетки считаются прообразом всех живых организмов растений, животных, бактерий.

Однако в этом физико-химическом конструировании всего живого естественно присутствует антропный принцип, т.е. вера в неслучайный характер процесса как зарождения, так и развитие жизни на Земле. Кроме того не снимается и возможность пересечения теории биохимической эволюции земной материи с теорией панспермии. Сама теория биохимической эволюции приобрела научный характер теоретического конструирования моделей, подтверждённый экспериментально геохронологической историей Земли только в 20 веке после раскрытия молекулярно-генетического уровня биологического уровня материи и становления эволюционной химии.

Теория биохимической эволюции опирается на понятие абиогенеза – образования органических соединений, распространённых в живой природе вне организма, без участия ферментов.

Все многочисленные гипотезы, которые выдвигались в 60-80-е годы 20 века, имели чётко выраженные противостояние по вопросу о характеристиках протобиологической системы, т. е. доклеточного предка. Проблема состояла в том, что между химической формой материи, которая ещё не жизнь, и биологической формой материи, которая уже есть жизнь, существует предбиотическая структура, связанная с переходом от физико-химической эволюции к биологической. Необходимо было найти некую доклеточную структуру, способную эволюционировать, чтобы она была подвержена генетическим преобразованиям и естественному отбору. В итоге обозначились две гипотезы – коацервантная и генетическая.

Основу коацервантной гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур из «первичного океана» благодаря коацервации – самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной концентрацией. Основные положения этой гипотезы впервые были сформулированы А. И. Опариным в 1924 году (см.: Опарин А.И. Жизнь, её природа, происхождение и развитие. М., 1968). Отбор как основная причина совершенствования коацервантов до первичных живых существ – важнейшее положение гипотезы Опарина.

В рамках коацервантной гипотезы возник методологический принцип, получивший название голобиоза , т.е. первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, в том числе и к ферментному катализу.

Однако, если опираться на равновесную термодинамику, то молекулы живых существ не возникают спонтанно, для их образования требуется сложный механизм непрерывного и согласованного действия «нагревателя» и «холодильника» в соответствии со вторым началом термодинамики. Вероятность того, что белковая молекула, состоящая, из аминокислот 20 видов, будет случайно сформирована по определённому образцу равна

Число стоящее в знаменателе, слишком велико, чтобы его можно было охватить разумом. «Вероятность - как утверждает астроном Фрёйд Хойл, вопиюще мала, до того мала, что это было бы немыслимо даже в случае, если вся Вселенная состояла из органического бульона». Однако, если перейти к неравновесной термодинамике, то энтропия излучения S изл. много больше энтропии вещества S вещ. (S изл >> S вещ.), то вероятность образования упорядоченных структур от кристаллов до белков и нуклеиновых кислот резко возрастает.

Однако, для этого вряд достаточно только естественного отбора, который направлен на очищение генофонда популяции от «бракованных» генов, видоизменение происходит только в рамках существующего генетического материала, как адаптивная реакция на изменение окружающей среды.

Выдвигается на первый план генетическая гипотеза, согласно которой вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые эту гипотезу выдвинул в 1929 году американский генетик Г. Меллер.

В рамках генетической гипотезы возник методологический принцип, получивший название генобиоза , утверждающий первичность возникновения в результате биохимической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.

К естественному отбору добавилась идея дискретного расщепления генетических признаков, в определённой степени опирающаяся на основное положение квантовой механики: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Генетическая гипотеза связывает теорию биохимической эволюции с глобальным эволюционизмом, а теория происхождения жизни на Земле связывается с верой в существование «сверхрационального, сверхразумного» телеологизма – как присущего всей Вселенной стремления к совершенствованию вплоть до создания «разумного наблюдателя».

В настоящее время генетическая концепция получила широкое признание в результате открытий, сделанных в 80-е годы. Экспериментально было доказано, что несложные нуклеиновые кислоты могут редуплицироваться и без ферментов. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей – наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного механизма и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни.

К началу 80-х годов XX стало ясно, что первичной из нуклеиновых кислот могла быть только рибонуклеиновая кислота (РНК).

Иными словами, именно молекула РНК могла составить макромолекулярный субстрат доклеточного предка. Решающее открытие относительно роли молекулы РНК в происхождении жизни сводится к следующему. Во первых, это установление способности РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов. Во вторых, установление того факта что одна из небольших молекул РНК (рибозин) сама обладает функциями фермента. Наконец, в третьих, было установлено, что РНК обладает автокаталитическими свойствами.

Таким образом, можно считать, что древняя РНК совмещала в себе обе функции: каталитическую и информационно-генетическую, что и обеспечивало возможность саморепродукции макромолекулярного объекта. Иначе говоря, она отвечала всем требованиям механизма эволюции в соединении теории естественного отбора с наследственным (генетическим) дискретным расщеплением признаков (аллельных генов), так и с теорией сцепления неаллельных генов. Это способствовало последующей эволюции макромолекулярной системы на основе РНК в более эффективную с точки зрения синтеза белков макромолекулярную систему на основе ДНК. В процессе такой эволюции в большинстве случаев произошло разделение информационно – генетических и каталитических функций. Особо следует подчеркнуть существенную роль дисимметрии «право-лево» как нуклеиновых, так и белковых молекул, происхождение которой имеет много гипотез и пока не имеет экспериментального обоснования. Не исключено, что возникновение такой дисимметрии имело столь же глубокие последствия для происхождения жизни, как и возникновение барион-антибарионной дисимметрии для эволюции Вселенной.

Проблема состоит и в том, является ли время и место действия - Земля около 4,5 млрд. лет назад - уникальной ареной для биохимической эволюции. Или этот процесс происходил и происходит стихийно и в тоже время на основе “сверхрационального, сверхразумного” телеологизма в различных частях космического пространства, а Земля лишь предоставила благоприятные условия для развития уже возникшей жизни.

Переходя на онтогенетический (организменный) уровень живой природы, структурным признаком живого организма, начиная с 1940-х годов, считается клетка – завод жизни. Иными словами, наинизшим объектом живой природы признаётся клетка либо как самостоятельный одноклеточный организм, либо как автономная часть многоклеточного организма. Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное место между живым и неживым.

Только в начале 60-х годов XX века появилась генетическая концепция клеточной организации живой материи позволившая дискретно разделить всё живое на два надцарства – прокариоты и эукариоты . Наиболее принципиальные различия двух типов организмов касается характера организации и репликации на генетическом уровне; структуры аппарата, синтезирующего белки; характера «пусковых» механизмов биосинтеза белка; структуры молекулы РНК; организации и характера фотосинтезирующего аппарата и т.п. При этом ни прокариоты, ни эукариоты не имеют определённых эволюционных преимуществ. Это позволяет предложить, что оба эти типа организмов происходят от общего предка, или археклетки, совмещающей в себе черты прокариотов и эукариотов.

В 1970-е годы эта точка зрения получила серьёзное подтверждение благодаря открытию архебактерий , которые будучи прокариотами по типу организации генетического аппарата, имеют признаки, сближающие их с эукариотами. Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза, согласно которой эукариотная клетка – результат симбиоза нескольких прокариотных клеток.

Важной концепцией функционирования живой природы на онтогенетическом уровне является её функциональная системность. Согласно этой концепции, функциональная системность обусловлена тем, что компоненты систем не только взаимодействуют, но и взаимосодействуют.

Концепция функциональной системности универсальна на всех структурных уровнях живой природы. Она основана на взаимосодействии мутационного (генетически наследственного расщепления альтернативных признаков (аллельных генов) и сцепления неаллельных генов в генетике пола) отбора с естественным отбором, когда процессы на низших уровнях как бы организуются функциональными связями на высших уровнях, а часть специализированными аппаратами регуляции (гомеостаза), как, например, гормональными и первыми системами в организме животных.

Концепция функциональной системности могла появиться на молекулярно-генетическом уровне и в виде симбиоза методологических принципов голобиоза и генобиоза.

Такой подход в определённой степени снимает проблему первичности белка или ДНК / РНК в возникновении пробионтов. Считается, что жизнь эволюционировала на базе динамичной игры малых молекул (органических и неорганических) и первые биополимеры могли быть результатом автокаталитических реакций малых молекул в дождевых каплях, озарённых ультрафиолетом первобытного Солнца. Однако, возникает проблема дозревания этих капель в коацервантные капли в соответствие с опаринским сценарием «первичного бульона» или в первичные двухцепочные РНК в соответствие с генетической гипотезой и последующем их симбиозе в археклетку.

На наш взгляд, если исходить из выдвинутой Н.В. Тимофеевым-Ресовским аксиомы, что эволюция живой природы принципиально непредсказуема, то эта аксиома указывает на достаточно трудный путь исследования происхождения жизни на Земле и антропологического исследования родословной человека, что, на наш взгляд, приводит к пересечению, по крайней мере, трёх теорий (концепций), а именно естественнонаучной концепции биохимической эволюции с концепциями панспермии и креационизма с опорой на антропный принцип и принцип глобального эволюционизма.

5.5. Синтетическая теория эволюции. Микро- и макроэволюция

Концепция функциональной системности лежит в основании синтетической теории эволюции, которая способствовала качественному скачку в развитии биологического знания, к переходу биологии с классического на неклассический уровень познания.

Принципиальные и концептуальные положения синтетической теории эволюции были заложены трудами С.С. Четверикова (1926), Р. Фишера, Н.В. Тимофеева-Ресовского, С. Райта, Н.П. Дубинина, Дж. Холлейна (1929-1932) и др. Своё развитее она получила в трудах таких выдающихся биологов ХХ в., как Н.И. Вавилов, И.И Шмальгаузен, Э. Майер, Дж. Симпсон, Дж. Хаксли, Ф.Г. Добжанский и др.

Синтетическая теория эволюции развивалась в рамках популяционно-видового и биогеоценотического (биосферного) уровней живой природы.

Синтетическая теория эволюции строится на следующих принципах и понятиях:

v Элементарной «клеточкой» биологической теории эволюции является не организм, не вид, а популяция. Именно популяция – та самая целостная система взаимосвязей организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития, прежде всего способностью наследственного изменения в системе биологических поколений. Популяция – это элементарная эволюционная структура. Через изменение её генетического состава осуществляется эволюция.

v Элементарный эволюционный материал – это мутации (мелкие дискретные изменения наследственности), обычно случайно образующиеся. В настоящее время выделяются генные, хромосомные, геномные (изменения числа хромосом и др.), изменения внеядерных ДНК и другие мутации.

v Наследственное изменение популяции в каком – либо направление осуществляется под воздействие элементарных эволюционных факторов. Таких как мутационный процесс, поставляющий элементарный эволюционный материал; популяционные волны (колебание численности популяции в ту или иную сторону от средней численности входящих в неё особей); изоляция (закрепляющая различия в наборе генотипов и способствующая делению исходной популяции на несколько новых, самостоятельных популяций); естественный отбор.

Как видно из основных положений и принципов синтетической теории эволюции она фактически объединяет в себе дарвинский механизм наследственной изменчивости и естественного отбора с генетической концепцией биохимической и биологической эволюций и функционально связывает все уровни живой природы.

Возникают различные формы естественного отбора: движущий – благоприятствующий лишь одному направления изменчивости, дивергенция (расхождение признаков организмов в ходе эволюции) дочерних форм; разрывающий, благоприятствующий двум или нескольким направлениям изменчивости; стабилизирующий – благоприятствующий появлению в популяции оптимального фенотипа и действующий против проявления изменчивости.

Эволюционные процессы в биологии в зависимости от их масштаба принято разделять на два типа: микроэволюция и макроэволюция.

Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях и приводящих к образованию нового вида. Изучает эволюционные преобразования, происходящие в генофонде популяции за сравнительно небольшой период времени.

Макроэволюция – эволюционные процессы ведущие к образованию таксонов более высокого ранга, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.) изучает эволюционные процессы за длительный исторический период.

Понимание отношений между микро- и макроэволюцией предполагает наличие чёткого понимания ответа на вопрос: можно ли свести закономерности макроэволюции к закономерностям микроэволюции.

В синтетической теории эволюции существует два альтернативных мнения. Большинство биологов исходило (и исходит) из того, что макроэволюция не имеет специфических закономерностей и механизмов и реализуется посредствам процессов микроэволюции. Их накопление является лишь результирующим выражением. Тогда синтетическая теория микроэволюции является и теорией макроэволюции.

Ряд биологов (во главе с Р. Гольдшмидтом) исходила (и исходит) из того, что закономерности и механизмы макроэволюции не сводимы к законам и закономерностям микроэволюции. Нам представляется обоснованным в будущем логика совмещения этих альтернативных мнений в функциональной системности и логическом пересечения микро- и макроэволюции в обобщённой синтетической теории эволюции в рамках нового теоретического синтеза. К началу XXI века биология достигла выдающихся результатов в эмпирической, теоретической и прикладных областях. В XXI веке этот процесс усилился экологической стратегией коэволюции Человека и биосферы в ноосферу.

Новый теоретический синтез в современной биологии опирается на представление о многообразие путей и форм видообразования. В природе существует и медленное, постепенное, кумулятивное (через микроэволюцию) видообразование и прерывистое, дискретное, скачкообразное (бифуркационное) (через механизмы макроэволюции) видообразование. Из, этого, в частности, следует мозаичность эволюции, то есть неравномерность темпов эволюции различных таксонов; неравномерность, независимость преобразования и эволюции органов (морфологических структур, разных молекул и др.) внутри одной системы эволюции. Новый теоретический синтез биологического знания ещё не завершён, это – дело будущего.

5.6. Человек как особый уровень организации живой материи

С биологической точки зрения появление человека разумного - вполне ординарное событие. Количество всех видов животных, населяющих Землю - более полутора миллионов, из них видов позвоночных насчитывается около 70 тысяч, среди которых и биологический вид - человек разумный (Home sapiens).

Но человек- носитель разума, мысли, особый феномен природы . Изменение биологического состояния, приведшее к пробуждению мысли, не просто соответствует критической точке, пройденной индивидом. Будучи более обширным, это изменение затрагивает саму жизнь в её органической целостности, и, следовательно, знаменует трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты. Человека можно рассматривать как особый уровень организации живой материи.

Живой организм представляет собой открытую физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. В отношении человека как биологического существа это может быть выражено словами французского физиолога Клода Бернара:« Постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни».

Онтогенез - индивидуальное развитие организма, совокупность преобразований организма от зарождения до конца жизни - изучен весьма недостаточно, чтобы целенаправленно влиять на индивидуальное развитие организма с целью его здоровья и продления жизни.

Гомеостаз - разнообразные системы саморегуляции на уровне клеток и на уровне тканей - опирается на понятие отрицательной и положительной обратных связей. Отрицательная обратная связь приводит при нарушении равновесия в гомеостатических системах живых организмов к устранению этого нарушения и возвращению системы в исходное состояние. Итак, именно отрицательная обратная связь лежит в основе «постоянства внутренней среды - обязательного условия свободной жизни человека». Положительная обратная связь приводит к тому, что возникающее возмущение вызывают такие последствия, которые его усиливают то есть нарушают «условие свободной жизни человека». Это стрессы, болезни, а порой и социальные катастрофы. Широко известно высказывание французского философа Гольбаха (1723-1789): «Излишек едкости в желчи фанатика, разгоряченность крови в сердце завоевателя, дурное пищеварение у какого-нибудь монарха, прихоть какой-нибудь женщины являются достаточными причинами, чтобы заставить предпринимать войны, чтобы посылать миллионы людей на бойню, чтобы разрушать крепости, превращать в прах города, чтобы погружать народы в нищету и траур, чтобы вызывать голод и заразные болезни и распространять отчаяние и бедствие на длинный ряд веков».

Различают эндокринную и нервную системы управления. В нервной системе управления нейроны и особая роль в управлении принадлежит безусловным и условным рефлексам. Безусловные рефлексы наследуются потомством от родителей и сохраняются в течении всей жизни. Безусловными рефлексами названы рефлексы, возникающие в ответ на действие жизненно важных раздражителей, например пищи или повреждения. Известны пищевые, оборонительные, половые и ориентировочные рефлексы. Благодаря безусловным рефлексам сохраняется целостность организма, поддерживается постоянство внутренней среды и происходит размножение. Рефлексы, приобретаемые организмом в течение жизни и образующиеся в результате сочетания безразличных раздражителей с безусловными, И.П. Павлов назвал условными рефлексами. С помощью образования условных рефлексов и их торможения осуществляется более гибкое приспособление организма к конкретным условиям существования. В эндокринной системе управления в качестве каналов передачи информации выступают гормоны, секреция которых реализуется по принципу отрицательной обратной связи.

Важную роль играют системы управления клетками - заводами жизни. Клетки различных органов и тканей обладают и специфическими функциями. Мы ограничимся только кратким анализом «органов» клетки, не вдаваясь в специфические функции клеток. «Органы управления клетки» - ДНК, состоящие из нуклеотидов, последовательностью которых кодируется генетическая информация, и рибосомы, осуществляют информационно-аналитическую функцию. Внутриклеточная деятельность сводится к многочисленным химическим реакциям, каждая из которых протекает под действием своего фермента. Ген − участок ДНК, кодирующий определенный белок. Белки синтезируются, «печатаются» в рибосомах по матрицам - РНК, которые получаются путем кодирования гена с ДНК.

«Обеспечивающие рабочие органы» производят энергию в виде молекул АТФ. С помощью АТФ клетка движется, вырабатывает тепло, осуществляется активный транспорт, синтезирует новые белковые молекулы и осуществляет многое другое. АТФ занимает центральное положение в экономике живого.

«Специфические рабочие органы» осуществляют «главную» деятельность клетки, служащую нуждам целостного, дискретного организма в форме целого набора физико-химических процессов.

«Входы» и «выходы» определенных молекул и ионов через плазматическую мембрану осуществляют связь с внешней средой. Обмен через мембрану регулируется диффузией, осмотическими и электрическими градиентами, активными механизмами переноса (ионными насосами) и перемещениями мембранных структур, как например, при пиноцитозе и фагоцитозе.

Обратная связь на молекулярном уровне обусловлена «связями» между элементами внутри клетки. По теории Жакоба и Моно, в ДНК, кроме структурных генов, несущих информацию о процессах биосинтеза, есть гены-операторы и гены-регуляторы. Последние кодируют синтез специфического вещества - репрессора, который присоединяется к гену- оператору и может регулировать работу структурного гена, отвечающего за синтез белка, вплоть до прекращения синтеза. Но, если в клетку попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним, освобождая ген-оператор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит матрицей для производства белка. После того как вещество - индуктор израсходуется, репрессор, непрерывно производимый геном-регулятором, связывается вновь с геном-оператором - и цикл повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне. Существуют и другие виды «связи» между элементами внутри клетки.

Даже в рамках упрощенной модели «органов» клетки видно, что клетка напоминает физико-химический комбинат, управляемый суперкомпьютером с гибкими программами. В организме же человека 10 14 ÷10 15 клеток. Физико-химическая модель живого организма поражает своей сложностью, высоким КПД, и, конечно, возможностью самовоспроизведения.

«Постоянство внутренней среды» взаимосвязано с биологическими часами, как бы встроенными в организм. Согласно современным представлениям, в организме имеются не одни биологические часы, а целый ряд часов, регулирующих ход различных жизненных процессов. С биологическими ритмами необходимо увязывать ритм труда и отдыха и помнить о генетике биологических часов и взаимосвязи их работы с ритмами Солнца и биосферы. Биоритмы проявляются не только во время бодрствования, но и во время сна. Треть жизни человек проводит во сне. Сон необходим человеку, так же как вода и еда. Сразу после засыпания развивается медленный сон. Он сопровождается урежением дыхания, пульса, расслаблением мышц. Обмен веществ и температура тела понижаются. Через 1 - 1,5 часа медленный сон сменяется быстрым , который часто называют пародоксальным сном . В этой фазе активизируется деятельность всех внутренних органов, дыхание становится частым, глубоким, работа сердца усиливается, обмен веществ повышается. Люди, разбуженные во время быстрого сна, рассказывают о своих сновидениях, как о ярких и фантастических по содержанию. Быстрый сон длится 10-15 минут, после чего начинается новый цикл медленного сна. Люди, разбуженные во время медленного сна, также сообщают, что они видят сны, но сны этого периода менее эмоциональны и протекают в форме размышления. К утру продолжительность быстрого сна возрастает до 25 - 30 минут. Увеличение продолжительности быстрого сна важно для активации функций организма к моменту пробуждения. По мысли И.М. Сеченова сновидения – небывалые комбинации бывалых впечатлений. Сновидения – нормальная психическая деятельность мозга.

Преимущество человека перед другими высшими животными закреплено в материальном носителе разума - мозге. Мозгом контролируются взаимодействия с окружающей средой, действия, контролирующие функции организма, а самое главное - умственная деятельность. Выделить принципиальные различия в строении мозга человека и шимпанзе удалось только в последние 30 - 40 лет. Выяснено, что простейшей структурной единицей мозга служит не нервная клетка (нейрон), как считалось раньше, а структурный ансамбль таких клеток со сложными, но фиксированными разветвлениями взаимосвязей.

Эволюция мозга, его усложнение идет не столько за счет количественного роста нервных клеток (хотя такой рост имеет место), сколько за счет растущей организованности, упорядоченности как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции в сложные поведенческие решения.

В определенной степени такой подход пересекается с мнением Ю. Юма о том, что личность - это лишь «пучок» ощущений. Однако такой подход нуждается в пересмотре, поскольку нужно принять во внимание возражение Канта: «Все мои впечатления в любой конкретный момент проявляются как часть единого поля сознания».

Нобелевская премия в области физиологии 1981 года была присуждена Р. Сперри за исследование межполушарной ассиметрии головного мозга, т.е. различий функций двух его полушарий. На макроуровне мышления в целом намечаются две тенденции в психологическом восприятии действительности: правополушарная - интегрирующая, синтетическая, левополушарная - дифференцирующая, аналитическая. В частности, левое полушарие ответственно за речь и логическое мышление, а правое полушарие за ориентацию в пространстве и восприятие музыки и живописи.

Может сложиться иллюзия, что каждая из тенденций познавательной деятельности мозга, взятая в отдельности, искажает восприятие действительности. На самом деле обе тенденции способствуют адекватному объяснению природы и имеют одинаковую значимость в её познании. Именно в гармонии обеих тенденций познания окружающий мир постигается в адекватной форме не только отдельным человеком, но и научной мыслью коллективного разума.

Оба полушария мозга действуют не раздельно, а как единая система, в которой есть тончайшие интеллектуальные механизмы, позволяющие и понимать отдельные факты, и «объять целостность».

Отметим одно характерное обстоятельство так же задающее единое поле сознания. Строение ансамблей нервных клеток, их связи в мозгу программируются генетическим аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структурных ансамблей мозга человека наследуется детьми от родителей. Но наследуются не речь и не трудовые навыки как таковые, а лишь потенциальная возможность их последующего приобретения. Генетические возможности реализуются только при условии, что с раннего детства конкретный ребенок воспитывается и обучается в сообществе людей, в постоянном общении с ними. Генетический потенциал ограничен во времени жесткими возрастными рамками . Если сроки пропущены, то потенциал гаснет, а человек остается на уровне того же примата.

У человека выделяются лобные доли , которые согласно сложившимся представлениям осуществляют интеграцию различных функций мозга в целенаправленные поведенческие реакции, а также участвуют в ассоциативных и обобщающих мыслительных процессах. У человека рекордная для животного мира относительная площадь лобных долей мозга, достигающая 25%. Комментарии здесь излишни.

Итак, со строением мозга и его программированием генетическим аппаратом, развивающимся в процессе обучения и воспитания, взаимосвязана особая нейрофизиологическая сущность человека, проявляющаяся в едином поле сознания. Единое поле сознания связывает эмоции, сознание, внимание память, мышление в единое поле функциональной системности.

Эмоциями называются переживания, в которых проявляется отношение людей к окружающему миру и к самим себе.

Сознание является высшей формой отражения мозгом человека окружающего мира в форме знания и передачи знания другим людям в форме слов, образов, математических символов и т.д.

Внимание характеризует сосредоточенность, избирательную познавательную направленность физиологических процессов, нацеленную на определенный объект, значимый в данный момент.

Памятью называется способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить полученную информацию.

Мышление рассматривается как сложнейший вид мозговой деятельности человека в процессе приспособления к новым условиям и решения новых жизненных задач. Процессы мышления сводятся к образованию общих представлений и понятий, а также суждений и умозаключений.

На психологическом уровне выделяют сознательное , подсознательное и бессознательное. Конституирующими признаками сознания являются отражение, отношение, целеполагание, управление. Особое значение придается самосознанию - осознанию, оценке человеком своей жизни, нравственному облику и интересам, оценке самого себя как деятеля, как чувствующего и мыслящего существа. Подсознательным называют совокупность психических процессов и состояний, лежащих вне сферы сознания и недоступных для непосредственного субъективного опыта. Бессознательное характеризуют с трех точек зрения. Первая точка зрения: бессознательное - особая сфера психической деятельности, характеризующаяся отсутствием сознательного регулирования и контроля, непроизвольностью возникновения и течения генетических процессов, безотчетностью и полным исчезновением из памяти. Вторая точка зрения: бессознательное - первичный регулятор поступков человека; некая сущность, первопричина всего, что совершается не только в природе, но и в социальной жизни. Третья точка зрения: бессознательное - основано на скрытом учете информации о свойствах и отношениях вещей и обеспечивает разгрузку человека от излишнего напряжения сознания.

В психологической науке до сего времени нет системы, которая бы установила бы единую четкую связь между нашими мыслями и характером, ощущениями и памятью, вкусом и темпераментом, восприятием и способностями, между этими и всеми другими проявлениями нашей внутренней жизни.

Наиболее трудной задачей является разработка непротиворечивой концепции взаимосвязи свободы воли, а, следовательно, культурно-психологической индивидуальности с деятельностью мозга, то есть с индивидом, как единым представителем «home sapiens».

В настоящее время наиболее популярной в философии и нейрофизиологии становится концепция: сознание - реальный биологический феномен , оно качественно, субъективно и едино.

Американский философ и языковед Дж. Сёрль выдвигает две гипотезы. Первая возможность (гипотеза первая): неопределенность на психологическом уровне идентична детермининистской системе на нейробиологическом уровне. Но эту гипотезу Сёрль считает противоречащей всему, что мы знаем об эволюции. Она приводит нас к тому, что невероятно изощренная, сложная, чувствительная и - важнее всего биологическая система рационального принятия решений людей и животных не будет никак воздействовать на жизнь и выживание организмов.

С альтернативной позиции (вторая гипотеза) отсутствие причинно достаточных условий на психологическом уровне сопровождается параллельным отсутствием причинно достаточных условий на нейробиологическом уровне. Но вторая гипотеза не подходит под принятую биологическую концепцию. Трудность в том, чтобы увидеть, как сознание системы может наделить её причинной эффективностью, которая не будет детерминистской. Современное сведение психологии и гносеологии к физическим теориям вакуумных или торсионных полей, информационно-кибернитическим моделям, суперголлограммам и т.п., так же как представления о сознании как явлении над человеческом, причем как в религиозно-идеалистическом, так в материалистическом вариантах так же не решают проблемы взаимодействия психологического и нейробиологического уровней сознания.

Сёрль считает, что сознательная рациональность не должна унаследовать произвольность квантовой механики. Пожалуй, сознательная рациональность должна служить причинным механизмом , хотя и не на основе предварительных достаточных причинных условий.

Попадая в плен своего «невежества», мы естественно обращаемся к творцу, как в религиозном, так и в коэволюционно-синергетическом преклонении перед «высшим, сверхразумном, сверхсознательном» в Природе. Вот что пишет академик Н.П. Бехтерева (р.1924 г.): «Всю свою жизнь я посвятила изучению самого совершенного органа -человеческого мозга. И пришла к выводу, что возникновение такого чуда невозможно без творца. Эволюция мозга, как её рисовали антропологи, практически нереальна. Недаром они сейчас отказываются от многих своих данных». Жизнь тем и прекрасна, что в ней есть место и науке, и религии, а главное вере в особое предназначение Разума человека в гармонии Природы, Логоса и Человека во всем Мире (Универсуме).

В культурологической индивидуальности возможно «пересечение» различных детерминант рациональной деятельности и целенаправленный выбор их в рамках двухсторонности взаимодействия, независимый от желаний и убеждений, а так же на основе социокультурного генотипа традиций и инновационных процессов эволюции культуры и биологически ценной системы принятия решений рационально мыслящей личностью. Инкультурация личности означает вовлечение человека в современную культуру, которая, по крайней мере, в информационном плане все более приобретает глобальные контуры мировой культуры. Генетический потенциал единого поля сознания может быть усилен за счет использования человеком классической, неклассической и постнеклассической стратегий жизнеобеспечения и созидания интеллектуальной культуры, выработке рациональной деятельности на основе эколого-социальной этики и корпоративной культуры со всё большей опорой на общественно значимые смыслы свободы личности.

Термин «протоплазма» означает «первичная материя» и впервые был предложен Яном Пуркинье в 1839 году. К первичным формам организации протоплазмы относятся клетка и ее производные – симпласт, синцитий, межклеточное вещество, которые возникли в процессе эволюции с целью адаптации к условиям внешней среды. Симпласт – это не расчлененная на клетки протоплазма с большим количеством ядер. Функционально – это адаптивная форма организации живой материи, которая выполняет в организме двигательную функцию. Пример: поперечно-полосатые мышечные волокна (60% от массы человека). Образуется путем слияния множества клеток или абортивным делением.Синцитий – соклетие – это протоплазматическая решетка в узлах которой лежат ядра. Имеется в семенниках у мужчин. Цель образования – синхронизация процессов сперматогенеза. Межклеточное вещество – «цемент» или «параплазма». Это продукт синтетической деятельности клеток. В межклеточном веществе различают два главных компонента: основное вещество (гликозаминопротеогликаны и гликопротеины) и погруженные в него волокна (коллагеновые, эластические, ретикулярные). Межклеточное вещество ярко выражено в тканях, выполняющих опорно-механические функции (костная, хрящевая, плотные соединительные ткани).Клетка – это главная элементарная форма организации живой материи, предел делимости, в которой жизнь проявляется во всей своей полноте. В организме человека количество клеток варьирует от 10% до 40% в зависимости от возраста. Клетки отличаются по величине, по форме и продолжительности жизни.Величина клетки определяется ядерно-цитоплазматическими отношениями и отношением площади поверхности к объему цитоплазмы, которые должны быть постоянными. Смещение константы ведет либо к делению клетки, либо к ее гибели. Форма клетки тесно связана с ее функцией.

Клетка состоит из цитоплазмы и ядра. Цитоплазма включает в себя: клеточную поверхность, а также органеллы и включения, погруженные в гиалоплазму. Клетка – это система компартментов или отсеков (мембранных органелл) с относительно автономными процессами, которые связаны между собой через обмен веществ.

МОРФОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКЕ

Морфология обмена веществ в клетке – это постоянно меняющееся взаимодействие биологических мембран, организованное в пространстве и во времени (ГЭРЛ-система и поток мембран в клетке). ГЭРЛ-система включает в себя комплекс Гольджи (К.Гольджи, 1898), эндоплазматический ретикулум (К.Портер,1945) и лизосомы (Де Дюв, 1955).

Метаболизм обеспечивается тремя основными функциями клетки:

1. Синтетическая функция – с одной стороны эндоплазматический ретикулум синтезирует вещества, которые экспортируются из клетки для нужд всего организма (нейромедиаторы, гормоны, ферменты), с другой - свободные рибосомы и полисомы производят вещества, восполняющие и обновляющие цитоплазму самой клетки. Расстройство этой функции наблюдается при всех болезнях, но главным образом нарушения возникают при повреждении эндокринной системы. 2. Энергетическая функция – любая работа клетки сопровождается затратой энергии. Энергетический аппарат представлен митохондриями (Бенда, 1902). Они лабильны, подвижны, быстро повреждаются и быстро адаптируются. Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. 3. Регуляторная функция целиком зависит от генома клетки и отвечает за правильный ход метаболических процессов. Нарушение этой функции приводит к генетическим или хромосомным болезням.

В ядре клетки путем транскрипции с ДНК синтезируются три типа РНК (рибосомальная, матричная и транспортная-РНК), которые и регулируют образование белков в клетке.

Таким образом, клетка представляет собой систему биологических мембран, которые разделяют ее на компартменты (органеллы), выполняющие специальные функции, взаимодействие которых и обеспечивает метаболизм.

Процессы в клетке проходят в несколько этапов:

1. поступление веществ в клетку (эндоцитоз)

2. образование мономеров (лизосомы)

3. синтез веществ для самой клетки (полирибосомы)

4. синтез веществ на экспорт (ЭПР, комплекс Гольджи)

5. эвакуация метаболитов, не поддающихся усвоению (телолизосомы или остаточные тельца) и продуктов секреции (секреторные пузырьки) – экзоцитоз.

СПОСОБЫ РЕПРОДУКЦИИ КЛЕТОК. РЕАКЦИЯ КЛЕТКИ НА ПОВРЕЖДЕНИЕ

Смена клеточных популяций обеспечивает в организме рост и развитие, постоянство внутренней среды, процессы выздоровления. Размножение – это основная физиологическая ось вокруг которой вращается жизнь вида. Деление клеток рассматривается как форма самодвижения живой материи, ее самосовершенствование. Деление связано с внутренними свойствами самой материи. Клеточный цикл – это жизнь клетки от одного деления до другого. Он включает в себя два периода: 1.собственно деление (митоз) 2.подготовка к делению (интерфаза)(около 90% всего клеточного цикла,3 периода:G1пресинтетический или постмитотический,Sсинтетический,G2 постсинтетический или премитотический)

Два способа репродукции соматических клеток: 1.Митоз - непрямое деление. Открыл и описал четыре стадии митоза немецкий ученый Флемминг в 1878 году. Термин ”хромосома” впервые предложил Вальдейер в 1880 году. 4 фазы митоза:Профаза- спирализация и конденсаця хромосом,исчезает ядрышко,растворяется ядерная оболочка,начинает формироваться веретено деления.Метафаза -образуется веретено,хромосомы формируют материнскую звезду,хроматиды расходятся,связаны в области центромеры.Анафаза- хроматиды расходятся к полюсам и формируют две дочерние звезды.Телофаза- процессы обратные профазе,деспирализация хроматина,восстановление ядерной оболочки и т.д. 2.Эндорепродукция – обновление протоплазмы в рамках старой формы. Это незаконченный клеточный цикл, в результате которого образуется либо полиплоидная, либо многоядерная клетка, либо клетка с политенными хромосомами. Пример: нейроны мозга, гепатоциты печени.Существуют внешние и внутренние факторы , которые либо ускоряют, либо замедляют процессы пролиферации. Внешние факторы – температура, радиация, рентгеновские лучи, ультрофиолетовые лучи и т.д. Например: высокие дозы радиации вызывают аномальные митозы (полицентрический, моноцентрический). Внутренние факторы : 1.изменение ядерно-плазменных отношений вызывает гибель или деление клетки, 2.потеря контактных взаимоотношений между клетками может привести к образованию злокачественной опухоли, 3.изменение позиционной информации. Паранекроз (около смерти) – это общая неспецифическая реакция, которая возникает в результате старения клетки, или в ответ на воздействие неблагоприятных факторов и приводит к нарушению внутреннего равновесия в клетке: 1 .подавление способности к гранулообразовани 2 .понижение дисперсности коллоидной системы

3 .сдвиг рН в кислую сторону 4 .потеря возбудимости В основе паранекроза лежит обратимая денатурация белков. Нарастающее действие повреждающих факторов приводит клетку в состояние дистрофии. Дистрофия – это нарушение обмена веществ в клетки. Она может быть белковой (зернистая или мутная дистрофия), липидной (тигровое сердце, гусинная печень), углеводной, гидропической. Два вида дистрофии : 1 .физиологическая (необратимая) дистрофия, всегда приводит к некрозу клетки (пример – эпидермис кожи, волосы, ногти) 2 .патологическая (обратимая) дистрофия; в том случае, когда патологические процессы не затронули ядро клетки и снято неблагоприятное действие раздражителя, клетка может адаптироваться :1 .на молекулярном уровне (полиплоидия) 2 .на субклеточном (увеличение количества органелл)3 .на клеточном (гипертрофия, гиперплазия)4 .на тканевом (метаплазия)

В настоящее время различают два типа гибели клеток : некроз и апоптоз. Некроз трактуют как наиболее частую неспецифическую форму гибели клеток. Он может быть вызван тяжелыми повреждениями в результате прямой травмы, радиации, влияния токсических агентов, вследствие гипоксии и т.д. В отличие от некроза, апоптоз – это запрограммированная гибель клетки, вызываемая внутренними или внешними сигналами, которые сами по себе не являются токсичными или деструктивными. Апоптоз – это активный процесс, требующий затрат энергии, транскрипции генов и синтеза белка de novo. Апоптогенное действие строго специфично в различных типах клеток. Например: В иммунной системе таким действием обладают интерлейкины, которые могут как индуцировать, так и ингибировать апоптоз иммуноцитов. Клетки большинства опухолей обладают пониженной способностью запускать механизмы клеточной гибели в ответ на некоторые физиологические стимулы. Существуют вирусы (герпеса, гриппа, кори, полиомиелита, аденовирусы), которые в клетках-хозяевах способны индуцировать апоптоз. Апоптоз является общебиологическим механизмом, ответственным за поддержание постоянства численности клеток, формообразование, выбраковку дефектных клеток в органах и тканях.

Функциональное и морфологическое разнообразие клеток организма обусловлено окружением клетки, т.е. той средой, в которой она живет и размножается. Эта среда окружения клетки получила название пространственной информации или информации положения.

Дифференцировка и специализация клеток – это процесс взаимодействия эндогенной генетической информации и экзогенной эпигенетической информации (пространственной информации). Ведущее место в дифференцировке и специализации принадлежит информации положения клетки , которая определяется рядом факторов:1 .градиенты концентрации химических веществ2 .векторы электромагнитных полей3 .контактные взаимоотношения между клетками4 .эмбриональная индукция Клетка, способная воспринимать позиционную информацию называется компетентной. В этой клетке под влиянием эпигенетических факторов геном подразделяется на экспрессированные (рабочие) и репрессированные (спящие) гены . Экспрессированные гены в свою очередь делятся на конституитивные и индуцибильные . Конституитивные гены отвечают за общие для всех клеток организма свойства (раздражимость, подвижность, обмен веществ и т.д.). Индуцибильные гены определяют дифференцировку и специализацию клеток. Клетка, которая под влиянием позиционной информации получила программу своего развития (индуцибельные гены) называется детерминированной или коммитированной. В результате дифференцировки клетки, которая идет по пути усложнения ее организации, она становится специализированной и начинает выполнять соответствующие функции.

Изоморфные клетки объединяются в группы, каждая из которых начинает выполнять элементарную функцию. Образуется 4 группы тканей:1.пограничные ткани (эпителиальные ткани) 2.ткани внутренней среды (мезенхимные ткани) 3.ткани, выполняющие двигательную функцию (мышечные ткани) 4.ткани, реагирующие на воздействие внешней среды возбуждением и раздражением (нервные ткани)Закон параллельных рядов по Заварзину: «Раз возникнув, ткани развиваются параллельно». Этот закон позволяет утверждать, что все представители животного мира состоят из четырех типов тканей. Однако, в историческом развитии тканей следует учитывать принцип дивергенции Хлопина, т.е. прежде чем развиваться параллельно ткани должны были разойтись.Ткань – это исторически сложившаяся система клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и, выполняющих одну из первичных функций организма.Ткань – это система, состоящая из одного или нескольких дифферонов.Ткани общего характера(Эпителиальные и соединительные)-первичность возникновения,Наличие стволовых клеток высокая камбиальность, способность к метаплазии взаимопревращению одного вида ткани в другой внутри данного типа ткани.Специализированные ткани(мышечные и нервные)-вторичные по происхождению,не имеют стволовых клеток,Высокая функциональная специализация.

ЭПИТЕЛИЙ

Эпителий – это пограничный пласт клеток, плотно прилегающих друг к другу (десмосомы, полудесмосомы), развивающихся из трех зародышевых листков и выполняющих в организме защитную(эктодермальные),выделительную(мезодермальные)и всасывательную(энтодермальные) функции.Классификация Хлопина:1.Эпидермальный тип образуется из эктодермы,многослойный или многорядный 2.Энтодермальный из энтодермы,однослойный призматический 3.Целонефродермальный из мезодермы,однослойный плоский,кубический или высокий призматический 4.Эпендимоглиальный выстилает полости мозга,секретирующий 5.Ангиодермальный из мезенхимы,эндотелиальная выстилка сосудов.Принципы организации-пограничное расположение;построен и функционирует как сплошной пласт клеток различной толщины;незначительные межклеточные пространства,клетки плотно друг к другу;отсутствие кровеносных сосудов; на базальной мембране.Виды:1.покровный 2.железистый

Клетка - это основная единица живого (биологической активности), ограниченная полупроницаемой мембраной и способная к самовоспроизведению в среде, не содержащей живых систем. Жизнь начинается с клетки. Вне клеток нет жизни.

Первые исследования клеток восходят к XVII в., и, вероятно, принадлежат англичанину Роберту Гуку (1635-1703). Рассматривая под примитивным микроскопом срезы пробки (1665 г.), он обнаружил, что они состоят из ячеек, названных им клетками (от лат. cellula - ячейка, клетка). В дальнейшем ячеистое строение многих растений микроскопически наблюдали итальянец М. Маль-пиги (1628-1694) и англичанин Н. Грю (1641-1712), однако то, что они видели, сейчас мы называем клеточной стенкой клеток растений. В 1675 г. голландец А. Левенгук (1632-1723) впервые с помощью простого микроскопа увидел одноклеточные организмы (бактерии).

В 1825 г. чех Ян Пуркинье (1787-1869) увидел и описал внутреннее содержимое клетки, назвав его протоплазмой (от греч. protos первый, plasma - образование), а в 1831 г. англичанин Р. Броун (Г773-1858) обнаружил ядро клетки (от лат. nucleus, греч. сагуоn).

Важнейшим этапом в изучении клеток явились работы, обеспечивавшие фактическую основу для создания клеточной теории. В 1838 г. немецкий ботаник М. Шлейден (1804-1881) пришел к выводу, что ткани растений состоят из клеток, тогда как немецкий зоолог Т. Шванн (1810-1882) в 1839 г. к аналогичному выводу пришел, изучая строение клеток животных. Опираясь на данные о том, что клетки животных и растений имеют ядра, М. Шлейден и Т. Шванн в 1838-1839 гг. сформулировали клеточную теорию, содержавшую ряд важнейших положений, а именно:

а) Организмы состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности, причем клетки являются главной структурной единицей растений и животных;

б) Размножение клеток лежит в основе роста животных и растений.

Выдающийся вклад в последующее развитие клеточной теории принадлежит Р. Вирхову (1821-1902), сформулировавшему в 1855 г. очень важное положение «cellula e cellula» («каждая клетка из клетки»), означающее, что клетка может возникнуть лишь из предсу-. ществующей клетки и что других путей появления клеток не существует. Это положение имело не только фундаментальное значение, но и практическое, т. к. означало начало разработки основ клеточной патологии.

В дальнейшем важнейший вклад в развитие клеточной теории был обеспечен открытием хромосом и наблюдениями в 1879-1883 гг. деления клеток путем митоза (В. Флеминг, 1844-1905; В. Рут 1850-1924 и другие). Уже к концу XIX в. были описаны хромосомы, определено их гаплоидное и диплоидное число у ряда организмов, а также были определены и получили название фазы митоза. Тогда же состоялся синтез цитологии и генетики, а также вычленение самостоятельной проблематики под названием «Биология клетки».

В начале XX в. (1903) Р. Гертвиг (1850-1937) формулирует закон постоянства ядерно-плазменного отношения, а в 1905 г. Дж. Фармер и Дж. Мур вводят в научную литературу термин «мейоз», что способствовало лучшему пониманию деления и развития клеток. Но особенно прогресс учения о клетке был обеспечен введением в практику исследований фазово-контрастной и электронной микроскопии, а затем и метода меченых атомов. Уже в 50-е гг. нашего века были получены электронно-микроскопические изображения почти всех структур клетки.

Современный этап в развитии клеточной теории характеризуется дальнейшим обоснованием ее положений на основе результатов, полученных при изучении тонкого строения клеток, синтеза нуклеиновых кислот и белков, а также регуляции активности генов. Окончательное подтверждение получило важнейшее положение клеточной теории о том, что клетка является элементарной структурно-функциональной единицей живого, вне которой нет жизни, т. e. клетка является элементарной единицей структуры и функции многоклеточного организма. Клетки являются высокоорганизованными дифференцированными образованиями, а размножение клеток обеспечивает физическую основу генетической непрерывности между родительскими клетками и дочерними клетками. Установлено, что активность организмов зависит от активности его клеток и что рост, развитие и дифференцировка тканей зависят от образования новых клеток. Через клетки происходит поглощение, превращение, запасание и использование веществ и энергии. Структуры клеток являются ареной, на которой осуществляются многочисленные биологические реакции, в частности, ферментация, дыхание, фотосинтез, дупликация хромосом, причем эти процессы имеют место как у одноклеточных организмов, так и в клетках многоклеточных организмов. Можно сказать, что жизнь многоклеточных организмов основывается на жизни их клеток.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

3. Клетка как морфофункциональная единица живой материи

4. Организм как основа целостности живой системы

5. Заключение

6. Список литературы

1. Введение

Современная биологическая картина мира основывается на том, что мир живого - это колоссальная система высокоорганизованных систем. В современной биологии классическими уровнями данной системы, которая определяется как живая материя, являются следующие:

1. Молекулярно-генетический уровень является тем уровнем организации живой материи, на котором совершался переход от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живой. Это уровень функционирования биополимеров, таких как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. На этом уровне элементарными структурными единицами являются гены. Вся наследственная информация у живых организмов заложена в молекулах ДНК. Реализация этой информации связана с участием молекул РНК.

2. Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

3. Организменный и органно-тканевой уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

4. Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. Этот уровень важен также с точки зрения исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

5. Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого. Под биогеоценозами понимаются участки Земли с определенным составом тесно взаимосвязанных живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

6. Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли, существующих в тесной взаимосвязи с окружающей природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая актуальная ныне проблема, как регулирование процесса концентрации углекислого газа в атмосфере. Исследуя биосферный уровень организации живого, ученые выяснили, что в последнее время в результате значительного усиления хозяйственной активности и слабой природоохранной деятельности концентрация двуокиси углерода в атмосфере планеты стала возрастать. В результате возникла опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта», увеличения в ряде районов количества осадков до масштабов Всемирного потопа.

Представление о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения тел. В середине 19 века клетка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие атома неорганических тел (М.Шлейден и Э.Геккель). Но оставался вопрос, на который не могла ответить клеточная теория: от каких именно структур зависят свойства живых организмов. Поэтому ученые-экспериментаторы продолжали свои работы в области исследования клеточных структур. В ходе этих работ был получен следующий результат: белки построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями. 9 из этих аминокислот являются незаменимыми, остальные синтезируются самим организмом. Характерная особенность аминокислот состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя существуют аминокислоты и правого вращения. Обе формы таких изомеров почти одинаковы между собой и различаются только пространственной конфигурацией, и поэтому каждая из молекул аминокислот является зеркальным отображением другой. Впервые это явление открыл Л.Пастер. Он обнаружил, что вещества биологического происхождения способны отклонять поляризованный луч. Эти вещества впоследствии были названы оптическими изомерами. В отличие от этого у молекул неорганических веществ эта способность отсутствует и построены они симметрично. На основе своих опытов Л.Пастер высказал мысль о том, что важнейшим свойством всей живой материи является их молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Это свойство было названо молекулярной хиральностью. Долгое время в связи с изучением структуры белка, появились мнения о том, что белки составляют фундаментальную основу жизни (Ф.Энгельс). Наряду с изучением структуры белка интенсивно изучались механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, которое впоследствии назвали нуклеиновой кислотой. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты. В 1944 году Д.Уотсон и Ф.Крик предложили и экспериментально подтвердили гипотезу о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. Согласно теории Уотсона и Крика наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: два пуриновых и два пиримидиновых (1953 год). Гипотетическое объяснение механизма перевода четырехбуквенной записи структуры ДНК в 20-буквенную дал Г.Гамов, предположив, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя семь лет эта гипотеза была подтверждена экспериментально. В 60-ые годы Ф.Жакоб и Ж.Моно доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на «регуляторные», кодирующие структуру белка, и «структурные», кодирующие синтез метаболитов. Переход на молекулярный уровень исследования изменил представления о механизме изменчивости. Кроме мутаций были названы механизмы рекомбинации генов.

2. Доклеточные формы организации живой материи

материя клетка морфофункциональный система

Единственными представителями доклеточной организации живой материи являются вирусы.

Вирус - это неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток.

На сегодняшний день детально описано свыше пяти тысяч видов вирусов. Учеными предполагается существование миллионов видов. Изучением вирусов занимается вирусология. Вирусология является разделом микробиологии.

Вирусы способны поражать все типы организмов: от бактерий и архей до растений и животных. Вирусы, поражающие бактерии называют бактериофагами. Вирусы, которые поражают другие вирусы называются сателлитами.

История изучения вирусов началась со статьи Ивановского Дмитрия Иосифовича, описывающей небактериальный патоген растений табака. А первым открытым и официально описанным вирусом стал вирус табачной мозаики, открытый голландцем Мартином Бейеринком в 1898 году.

Происхождение

Происхождение вирусов неясно, поскольку они не оставляют каких бы то ни было ископаемых останков, однако существует три основных теории их происхождения:

2. Гипотеза клеточного происхождения (гипотеза кочевания/побега). Некоторые вирусы могли появиться из фрагментов ДНК или РНК, высвободившихся из генома более крупного организма. Такие фрагменты могут происходить от плазмид - молекул ДНК, способных передаваться от клетки к клетке) или от транспозонов (молекул ДНК, реплицирующихся и перемещающихся с места на место внутри генома.

3. Гипотеза коэволюции. Эта гипотеза предполагает, что вирусы возникли из сложных комплексов белков и нуклеиновых кислот в то же время, что и первые на Земле живые клетки, и зависят от клеточной жизни вот уже миллиарды лет.

Строение вирусов

Вирусные частицы, называемые варионами, состоят из трех компонентов:

1. Генетический материал. ДНК или РНК. Некоторые виды имеют оба типа молекул.

2. Капсид - белковая оболочка. Служит для защиты ДНК/РНК.

3. Дополнительные липидные оболочки.

По первому признаку вирусы делят на ДНК - содержащие и РНК - содержащие. На этом принципе основана классификация вирусов по Балтимору. Классификация ICTV разделяет вирусы на отряды, семейства, подсемейства, роды и виды.

Капсиды вирусов разделяют на четыре класса:

1. Спиральный

2. Икосаэдрический

3. Продолговатый

4. Комплексный

Средний вирус примерно в сто раз меньше средней бактерии. Поэтому большинство из них неразличимы под световым микроскопом.

Жизненный цикл

Обычно выделяют шесть этапов жизненного цикла вируса:

1. Прикрепление - это образование специфичной связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Специфичность связывания определяет круг хозяев вируса.

2. Проникновение в клетку.

3. Лишение оболочек - процесс потери капсида.

4. Репликация вирусов.

5. Сборка вирусных частиц.

6. Выход из клетки.

4. Клетка как морфофункциональная единица живого

Клетка - элементарная единица живого организма.

Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток, поэтому клетка считается мельчайшей единицей всего живого. Клетка обладает всеми признаками живого, ей свойственны раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Клетка - это сложное, самоорганизующееся образование органоидов, являющееся микроносителем жизни, так как в каждой клетке заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Все организмы состоят из одной или многих клеток. Размеры клеток варьируются от 0,1 мкм до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).

Жизнь каждой клетки подчинена деятельности всего организма в целом. Клетки многоклеточных организмов неспособны к существованию в открытой среде, за исключением одноклеточных организмов - бактерий, простейших водорослей, грибов. Составляющие клетку части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей - плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации - ДНК. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры диаметром около 0,15 мкм, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой - клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Рис. 1 Строение животной (А) и растительной (Б) клеток

Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки - обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней. В частности, мембрана поддерживает нормальную концентрацию некоторых солей внутри клетки и играет важную роль в ее жизни: при повреждении мембраны клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структурных компонентов жизнь клетки может продолжаться в течение некоторого времени. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости ее наружной мембраны.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма , содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы - маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии -мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца - рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, хотя 65-85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро , а в нем - хромосомы - длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. В многоклеточном организме все сложные проявления жизни возникают в результате согласованной активности составляющих его клеток.

Жизненно важными функциями клетки являются подвижность, раздражимость, метаболизм и размножение. Подвижность клетки выражается во внутриклеточной циркуляции содержимого клетки, перетекании, биении крошечных протоплазматических выростов, сократимости. Раздражимость определяется способностью клетки воспринимать стимул и реагировать на него импульсом или волной возбуждения. Это наиболее свойственно нервным клеткам организмов. Метаболизм включает все превращения вещества и энергии, происходящие в клетках.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления и образования дочерних клеток. По мере роста клетки ухудшается питание её отдельных элементов, способность управления внутренними процессами клетки снижается, клетка приходит в неустойчивое состояние. Далее происходит деление клетки на две дочерние, как выход из неустойчивого состояния, новообразованные клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. В любом организме на протяжении всей его жизни идёт процесс замены старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизни клеток человека - один-два дня, а общее количество клеток - примерно 10 15 . Именно способность воспроизводить самих себя, а не только способность расти и питаться и позволяет считать клетки мельчайшими единицами живого.

Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца - центриоли , расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования - пластиды, которых нет у животных. И в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы - прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам - все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 4-3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Роль клетки в эволюции живого

Появление первой примитивной клетки стало началом биологической эволюции жизни на планете. Что послужило причиной возникновения именно живой клетки из неживого, до сих пор неизвестно, существует несколько гипотез, однако большинство из них говорит о том, что имел место некий доклеточный предок - протобионт , из которого впоследствии сформировалась древнейшая клетка. Механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции, предложенная ученым А.И. Опариным в 20-х гг., предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки - основной структурной единицы жизни, способной к росту и размножению. Очевидно, археклетка была отграничена от внешней среды двухслойной оболочкой (мембраной), обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и маленькие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединениях. Для строения археклетки характерно наличие клеточного скелета, отвечавшего за целостность клетки, а также обеспечивавшего возможность ее деления.

Первыми возникшими на Земле одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром - прокариоты. Они жили в безкислородной среде и питались готовыми органическими соединениями - веществами, синтезированными в процессе химической эволюции. Однако по мере наполнения атмосферы земли кислородом, многим бактериям пришлось приспособиться к кислородному дыханию - фотосинтезу, что явилось поворотом в эволюции живого. Фотосинтез ускорял биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом. Долго длившийся процесс перехода к фотосинтезу привел примерно 2,6 млрд. лет назад к возникновению первых, имеющих ядро организмов - эукариотов. Это были более совершенные организмы, в ядре которых были сконцентрированы хромосомы с ДНК, сама клетка воспроизводилась уже без серьёзных изменений.

Последующая эволюция эукариотов связана с разделением этих организмов на животные и растительные (примерно 2,6 млрд. - 570 млн. лет назад). Растительные клетки эволюционировали в сторону развития жесткой целлюлозной оболочки клеток и активного использования фотосинтеза, животные же клетки «выбрали» увеличение способности к передвижению, а также усовершенствовали способы поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующими важными этапами в эволюции живого мира стало половое размножение (около 900 млн. лет назад) и появление многоклеточных организмов с телом, тканями и органами, выполняющими определённые функции (700-800 млн. лет назад). Это были губки, черви, членистоногие и т.п. К тому времени мировой океан уже заселяли водоросли.

Подводя итог, можно сказать, что именно выделение живой самостоятельной клетки из окружающей среды и стало толчком к началу эволюции жизни на земле и роль клетки в развитии всего живого является главенствующей.

3. Организм как основа целостности живой системы

Организм - любое живое существо. Он отличается от неживой природы определенной совокупностью свойств, присущих только живой материи: клеточная организация; обмен веществ при ведущей роли белков и нуклеиновых кислот, обеспечивающий гомеостаз организма - самовозобновление и поддержание постоянства его внутренней среды. Живым организмам присущи движение, раздражимость, рост, развитие и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования - адаптация.

Взаимодействуя с абиотической средой, организм выступает как целостная система, включающая в себя все более низкие уровни биологической организации. Все эти части организма (гены, клетки, клеточные ткани, целые органы и их системы) являются компонентами и системами доорганизменного уровня. Изменение одних частей и функций организма неизбежно влечет за собой изменение других. Так, в изменяющихся условиях существования, в результате естественного отбора те или иные органы получают приоритетное развитие. Например, мощная корневая система у растений засушливой зоны (ковыль) или «слепота» в результате редукции глаз у ночных животных, существующих в темноте (крот).

Живые организмы обладают обменом веществ, или метаболизмом, при этом происходит множество химических реакций. Примером таких реакций могут служить дыхание, которое еще Лавуазье и Лаплас считали разновидностью горения, или фотосинтез, посредством которого зелеными растениями связывается солнечная энергия, а результаты дальнейших процессов метаболизма используются всем растением.

Как известно, в процессе фотосинтеза кроме солнечной энергии используются двуокись углерода и вода. Суммарно химическое уравнение фотосинтеза выглядит так:

Солнечная энергия + 6СО 2 +12Н 2 О >С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ,

где С 6 Н 12 О 6 - богатая энергией молекула глюкозы.

Практически вся двуокись углерода (СО 2) поступает из атмосферы, и днем ее движение направлено вниз к растениям, где осуществляется фотосинтез и выделяется кислород. Дыхание - процесс обратный, и движение СО 2 ночью направлено вверх, и идет поглощение кислорода.

Некоторые микроорганизмы, бактерии способны создавать органические соединения и за счет других компонентов, например за счет соединений серы. Такие процессы называются хемосинтезом.

Обмен веществ в организме происходит только при участии особых макромолекулярных белковых веществ - ферментов, выполняющих роль катализаторов. Каждая биохимическая реакция в процессе жизни организма контролируется особым ферментом, который в свою очередь контролируется единичным геном. Изменение гена, называемое мутацией, приводит к изменению биохимической реакции вследствие изменения фермента, а в случае нехватки последнего - к выпадению соответствующей ступени метаболической реакции.

Однако не только ферменты регулируют процессы метаболизма. Им помогают коферменты - это крупные молекулы, частью которых являются витамины - вещества, необходимые для обмена веществ всех организмов - бактерий, зеленых растений, животных и человека. Отсутствие витаминов ведет к болезням - нарушается обмен веществ.

Наконец для ряда метаболических процессов необходимы особые химические вещества, называемые гормонами, которые вырабатываются в различных местах (органах) организма и доставляются в другие места кровью или посредством диффузии. Гормоны осуществляют в любом организме общую химическую координацию метаболизма и помогают, например, нервной системе животных и человека.

На молекулярно-генетическом уровне особенно чувствительно воздействие загрязняющих веществ, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Оно вызывает нарушение генетических систем, структуры клеток и подавляет действие ферментных систем. Все это приводит к болезням человека, животных и растений, угнетению и даже уничтожению видов, живых организмов.

Метаболические процессы протекают с различной интенсивностью на протяжении всей жизни организма, всего пути его индивидуального развития. Этот его путь от зарождения и до конца жизни называется онтогенезом. Он представляет собой совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом за весь период жизни.

Онтогенез включает рост организма, т.е. увеличение массы и размеров тела, и дифференциацию, т.е. возникновение различий между однородными клетками и тканями, приводящее их к специализации по выполнению различных функций в организме. У организмов с половым размножением онтогенез начинается с оплодотворенной клетки (зиготы), при бесполом размножении - с образования нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, путем почкования, а также от корневища, клубня, луковицы и т.п.

Каждый организм в онтогенезе проходит ряд стадий развития. Для организмов, размножающихся половым путем, различают зародышевую (эмбриональную), послезародышевую (постэмбриональную) и период развития взрослого организма. Зародышевый период заканчивается выходом зародыша из яйцевых оболочек, а у живородящих - рождением. Важное экологическое значение для животных имеет первоначальный этап послезародышевого развития, протекающий по типу прямого развития или по типу метаморфоза. В первом случае идет постепенное развитие во взрослую форму (цыпленок - курица и т.д.), во втором развитие происходит в виде личинки, которая существует и питается самостоятельно, прежде чем превратиться во взрослую особь (головастик - лягушка). У ряда насекомых личиночная стадия позволяет пережить неблагоприятное время года (низкие температуры, засуху и т.д.).

В онтогенезе растений различают рост, развитие (формируется взрослый организм) и старение (ослабление биосинтеза всех физиологических функций и смерть). Основной особенностью онтогенеза высших растений и большинства водорослей является чередование бесполого (спорафита) и полового (гематофита) поколений. Процессы и явления, проходящие на онтогенетическом уровне, т.е. на уровне индивида (особи), - это необходимое и весьма существенное звено функционирования всего живого. Процессы онтогенеза могут быть нарушены на любой стадии действием химического, светового и теплового загрязнения среды и привести к появлению уродов или даже к гибели индивидов на послеродовой стадии онтогенеза.

Современный онтогенез организмов сложился в течение длительной эволюции, в результате их исторического развития - филогенеза. Не случайно этот термин ввел Э.Геккель в 1866 г., так как для целей экологии необходима реконструкция эволюционных преобразований животных, растений и микроорганизмов. Этим занимается наука - филогенетика, базирующаяся на данных трех наук - морфологии, эмбриологии и палеонтологии.

Взаимосвязь между развитием живого в историко-эволюционном плане и индивидуальным развитием организма сформулирована Э.Геккелем в виде биогенетического закона: онтогенез всякого организма есть краткое и сжатое повторение филогенеза данного вида. Иными словами, в начале в утробе матери (у млекопитающих и др.), а затем, появившись на свет, индивид в своем развитии повторяет в сокращенном виде историческое развитие своего вида.

5. Заключение

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи.

Структурные уровни организации материи строятся по принципу пирамиды: высшие уровни состоят из многочисленного числа низших уровней. Низшие уровни являются основой существования материи. Без этих уровней невозможно дальнейшее построение «пирамиды материи». Высшие уровни образуются путём эволюции - постепенно переходя от простого к сложному. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами.

Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами -- высшими уровнями организации.

Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней органической целостности живых организмов. Однако история теории систем начиналась с механистического понимания организации живой материи, в соответствии с которым все высшее сводилось к низшему: процессы жизнедеятельности -- к совокупности физико-химических реакций, а организация организма -- к взаимодействию молекул, клеток, тканей, органов и т.п.

Список литературы

1. Биологический энциклопедический словарь. М.: Большая российская энциклопедия, 1989.

2. Данилова В.С. Основные концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. М., 2000.

3. Медавар П., Медавар Дж. Наука о живом. Современные концепции в биологии. М.: Мир, 1983.

4. Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. М.: Наука, 1994.

5. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М., 2003.

6. Слюсарев А.А., Жукова С.В. Биология. Киев: Вища школа, 1987.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Уровни организации живой материи. Клеточная мембрана, поверхностный аппарат клетки, ее части и их назначение. Химический состав клетки (белки, их структура и функции). Обмен веществ в клетке, фотосинтез, хемосинтез. Мейоз и митоз – основные различия.

контрольная работа , добавлен 19.05.2010


Развитие неживой и живой природы. Структура и ее роль в организации живых систем. Современный взгляд на структурную организацию материи. Проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, законы построения организации и возникновения упорядоченности.

контрольная работа , добавлен 31.01.2010


Уровни организации живой материи. Положения клеточной теории. Органоиды клетки, их строение и функции. Жизненный цикл клетки. Размножение и его формы. Наследственность и изменчивость как фундаментальные свойства живого. Закон моногибридного скрещивания.

шпаргалка , добавлен 03.07.2012


Характеристика основных структурных уровней организации живой материи: молекулярного, клеточного, организменного, популяционно-видового, биогеоценотического, биосферного. Их компоненты, основные процессы. Науки, ведущие исследования на данных уровнях.

презентация , добавлен 09.11.2012


Гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Краткая сводка основных формул классической (неквантовой) электродинамики. Уровни организации живой материи и их характеристика. Пример нескольких каталитических реакций. Принцип действия катализатора.

контрольная работа , добавлен 17.07.2010


Электромагнитные взаимодействия как определяющий уровень организации материи. Сущность живого, его основные признаки. Структурные уровни организации живой материи. Предмет биологии, ее структура и этапы развития. Основные гипотезы происхождения жизни.

лекция , добавлен 18.01.2012


Определение понятия клетки как структурной и функциональной единицы живой материи. Выделение прокариотического и эукариотического типов клеточной организации. Догадки писателей-фантастов, древних и средневековых мыслителей о возможности иных форм жизни.

реферат , добавлен 14.08.2011


История изучения клетки. Открытие и основные положения клеточной теории. Основные положения теории Шванна-Шлейдена. Методы изучения клетки. Прокариоты и эукариоты, их сравнительная характеристика. Принцип компартментации и поверхность клетки.

презентация , добавлен 10.09.2015


Главная особенность организации живых материй. Процесс эволюции живых и неживых систем. Законы, лежащие в основе возникновения всех форм жизни по Дарвину. Молекулярно-генетический уровень живых организмов. Прогрессия размножения, естестенный отбор.

реферат , добавлен 24.04.2015


Признаки живой материи, которые отличают ее от неживой. Ферменты, их применение в пищевых технологиях. Отличие ферментов от небиологических катализаторов. Органы и ткани животных. Углеводы, получаемые из растительного сырья. Полисахариды второго порядка.