Сущность жизни.
Биология клетки.
Размножение.
Наследственность и изменчивость (основы генетики).
Основы генетики человека.
Все от Слюсарева
СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ
Диалектико-материалистическое представление о сущности жизни. Познание сущности жизни - одна из основных задач общей биологии. Дать научное определение сущности жизни, указать принципиальное отличие живого от неживого очень сложно.
Современное диалектико-материалистическое определение жизни таково: жизнь - это качественно особая форма существования материи, высшая по сравнению с физической и химической формами ее существования, представляющая собой биологическую форму движения материи. Живые тела построены из тех же химических элементов, что и неживые, но форма существования материи, форма ее организации в живом иная, чем в неорганической природе. В живых телах происходят не только химические превращения и осуществляются сложные физические процессы, но также имеют место качественно новые биологические закономерности, отличающиеся от закономерностей неживой природы. Диалектико-материалистическое определение сущности жизни требует выяснения вопроса о том, в чем же именно заключается более высокое качество биологической формы существования материи. Эта задача приводит к поискам свойств, присущих живым и отсутвующих у неживых тел. Изучение их свойств убеждает, что живое качественно отличается от неживого.
Определение жизни по Ф. Энгельсу. Обобщая достижения естествознания второй половины XIX в., Ф. Энгельс в работе «Анти-Дюринг» определил жизнь как «...способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». В этом определении подчеркиваются две стороны, характеризующие жизнь. Во-первых, обращается внимание на субстрат жизни (белковые тела), во-вторых, - на закономерности (способ) существования белковых тел, требующие обмена с окружающей средой.
Вековой опыт развития естествознания показал принципиальную правильность классического определения жизни, данного Ф. Энгельсом, показал, что субстрат и закономерности существования живого имеют свои, только им присущие особенности, отличающие живые системы от тел неживой природы. Однако современные представления о субстрате жизни и о закономерностях, характеризующих жизнь, значительно расширились в связи с установлением роли нуклеиновых кислот как носителей информации.
Субстрат жизни. Уровень знаний конца XIX в. позволял полагать, что основным субстратом жизни является белок. В свете современных представлений под субстратом жизни следует понимать, прежде всего, комплекс веществ, принадлежащих двум классам биополимеров: белков и нуклеиновых кислот. В настоящее время на Земле неизвестно ни одной живой системы, которая не представляла бы собой совокупность белков и нуклеиновых кислот. Более того, все основные процессы, характеризующие жизнь, связаны с комплексными свойствами этих соединений. Установлено, что субстратом жизни является только комплекс разнокачественных соединений; отдельная молекула или даже группа молекул какого-либо одного типа соединений не может быть носителем жизни.
Характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Как уже сказано, живое построено из тех же химических элементов, что и неживое, но характеризуется сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Эта упорядоченность приводит к образованию все больших комплексов молекулярных и надмолекулярных структур. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени, обеспечивающей строгую последовательность процессов, протекающих в живых системах.
Советский биохимик В. А. Энгельгардт отмечал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие возрастанию энтропии». Под энтропией понимается процесс рассеивания энергии, заключающийся в переходе всех видов энергии в тепловую и равномерном распределении ее между всеми телами природы. Принципу энтропии подчиняются все тела неживой природы.
Жизнь существует в форме открытых систем. Живые системы непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Несмотря на это, в живых системах, в отличие от неживых, не происходит выравнивания энергии. Создается ошибочное представление, что живые системы не подчиняются второму закону термодинамики. Противоречие устраняется, если учесть, что снижение энтропии в отдельно взятых живых системах достигается за счет повышения ее в окружающей среде. Живые организмы, будучи открытыми системами, постоянно извлекают энергию из окружающей среды, чем снижают энтропию внутри себя и повышают ее в окружающей среде.
Фундаментальные свойства живого
К числу фундаментальных свойств, совокупность которых характеризует жизнь, относятся: самообновление, связанное с потоком вещества и энергии; самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность между сменяющими, друг друга генерациями биологических систем, связанное с потоком информации; саморегуляция, базирующаяся на потоке вещества, энергии и информации.
Перечисленные фундаментальные свойства обусловливают основные атрибуты жизни: обмен веществ и энергии, раздражимость, гомеостаз, репродукцию, наследственность, изменчивость, индивидуальное и филогенетическое развитие, дискретность и целостность.
Обмен веществ и. энергии. Характеризуя явления жизни, Ф.Энгельс в работе «Диалектика природы» писал: «Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». При этом Ф. Энгельс отмечал, что обмен веществ может иметь место и между телами неживой природы. Однако принципиально обмен веществ как свойство живого качественно отличается от обменных процессов в неживых телах. Для того чтобы показать эти отличия, рассмотрим ряд примеров.
Горящий кусок угля находится в состоянии обмена с окружающей природой, происходит включение кислорода в химическую реакцию и выделение углекислого газа. Образование ржавчины на поверхности железного предмета является следствием обмена со средой. Но в результате этих процессов неживые тела перестают быть тем, чем они были. Наоборот, для тел живой природы обмен с окружающей средой является условием существования. В живых организмах обмен веществ приводит к восстановлению разрушенных компонентов, заменяя их новыми, подобными им, т.е. самообновлению и самовоспроизведению, или построению тела живого организма за счет усвоения веществ из окружающей среды.
Из сказанного следует, что организмы существуют как открытые системы. Через каждый организм идет непрерывно поток вещества и поток энергии. Осуществление этих процессов обусловлено свойствами белков, особенно их каталитической активностью. При этом несмотря на непрерывное обновление вещества, структуры в живом сохраняются, точнее, непрерывно воспроизводятся, что связано с информацией, заложенной в нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые кислоты обладают свойством хранить и воспроизводить наследственную информацию, а также реализовывать ее через синтез белков. Благодаря тому, что организмы - открытые системы, они находятся в единстве со средой, а физические, химические и биологические свойства окружающей среды обусловливают осуществление всех процессов жизнедеятельности.
Раздражимость. Эта неотъемлемая черта, свойственная всему живому, является выражением одного из общих свойств всех тел природы - свойства отражения. Она связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе (организм, орган, клетка) и проявляется реакциями этих систем на внешнее воздействие. Благодаря этому свойству достигается уравновешивание организмов с внешней средой: организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды, способны извлекать из нее все необходимое для своего существования, а следовательно, с ними связан столь характерный для живых организмов обмен веществ, энергии и информации. Свойство раздражимости связано с химическим строением самого субстрата жизни.
Получение необходимой информации обеспечивает в биологических системах саморегуляцию, которая осуществляется по принципу обратной связи. Продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее воздействие на те ферменты, которые составляют начальное звено в длинной цепи реакций. По принципу обратной связи регулируются процессы обмена веществ, репродукции, считывания наследственной информации, а, следовательно, проявление наследственных свойств в индивидуальном развитии и т.д.
Саморегуляцией в организмах поддерживается постоянство структурной организации - гомеостаз (гр. homoios - равный, неизменный, stasis - состояние). Организмам свойственно постоянство химического состава, физико-химических особенностей. Для всех живых существ характерно наличие механизмов, поддерживающих постоянство внутренней среды.
Структурная организация в широком смысле, т.е. определенная упорядоченность, обнаруживается не только при исследовании жизнедеятельности отдельных организмов. Организмы различных видов, связанные друг с другом средой обитания, составляют биоценозы (исторически сложившиеся сообщества). В биоценозах в результате обмена веществ, энергии и информации между организмами и окружающей их неживой природой также поддерживается определенный биоценотический гомеостаз: постоянство видового состава и числа особей каждого вида.
Биологическим системам на различных уровнях организации свойственна адаптация. Под адаптацией (лат. adapto – приспособляю) понимается приспособление живого к непрерывно меняющимся условиям среды. В основе адаптации лежат явления раздражимости и характерные для нее адекватные ответные реакции. Адаптации выработались в процессе эволюции как следствие выживания наиболее приспособленых. Без адаптации невозможно поддержание нормального существования.
Репродукция. В связи с тем, что жизнь существует в виде отдельных (дискретных) биологических систем (клетки, организмы и др.) и существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поддержание жизни на любом уровне связано с репродукцией. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестанет существовать, но благодаря репродукции (размножению) жизнь вида не прекращается. Размножение всех видов, населяющих Землю, поддерживает существование биосферы. Самовоспроизведение на молекулярном уровне обусловливает особенности обмена веществ живых организмов по сравнению с неживыми телами.
На молекулярном уровне репродукция осуществляется на основе матричного синтеза. Принцип матричного синтеза заключается в том, что новые молекулы синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул. Матричный синтез лежит в основе образования молекул белков и нуклеиновых \ кислот.
Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией (авторепродукцией) жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Хранение и передача наследственной информации осуществляются нуклеиновыми кислотами. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, обеспечивающие приспособление организмов к среде обитания.
Изменчивость - свойство, противоположное наследственности, связанное с появлением признаков, отличающихся от типичных. Если бы при репродукции всегда проявлялась только преемственность прежде существовавших свойств и признаков, то эволюция органического мира была бы невозможна; но живой природе свойственна изменчивость. В первую очередь, она связана с «ошибками» при репродукции. По-иному построенные молекулы нуклеиновой кислоты несут новую наследственную информацию. Это новая измененная информация в большинстве случаев бывает вредной для организма, но в ряде случаев в результате изменчивости организм приобретает новые свойства, полезные в данных условиях. Новые признаки подхватываются и закрепляются отбором. Так создаются новые формы, новые виды. Таким образом, наследственная изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции, а тем самым и существования жизни.
Индивидуальное развитие. Ор ганизмы, появляющиеся в результате репродукции, наследуют не готовые признаки, а определенную генетическую информацию, возможность развития тех или иных признаков. Эта наследственная информация реализуется во время индивидуального развития
Индивидуальное развитие выражается, как правило, в увеличении массы (рост), что, в свою очередь, базируется на репродукции молекул, клеток и других биологических структур, а также в дифференцировке, т.е. появлении различий в структуре, усложнении функций и т. д.
Филогенетическое развитие, основные закономерности которого установлены Ч.Дарвином, (1809-1882), базируется на прогрессивном размножении, наследственной изменчивости, борьбе за существование и отборе. Действие этих факторов привело к огромному разнообразию форм жизни, приспособленных к различным условиям среды обитания. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней: доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняющихся многоклеточных вплоть до человека. Однако вместе с человеком появилась новая форма существования материи - социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек в отличие от всех других существ представляет собой биосоциальный организм
Дискретность и целостность. Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна (лат. discretus - прерывистый). Органический мир целостен, существование одних организмов зависит от других. В очень общей и упрощенной форме это можно представить так. Животные-хищники для своего питаниянуждаются в существовании растительноядных, а последние - в существовании растений. Растения в процессе фотосинтеза поглощают из атмосферы СО2, выделение которого в атмосферу связано с жизнедеятельностью живых организмов. Кроме того, растения из почвы получают ряд минеральных: веществ, количество которых не истощается благодаря разложению органических веществ, осуществляемому бактериями, и т.д.
Органический мир целостен, так как составляет систему взаимосвязанных частей, и в то же время дискретен. Он состоит из единиц-организмов, или особей. Каждый живой организм дискретен, так как состоит из органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т. д. Жизнь связана с молекулами белков и нуклеиновых кислот, но только их единство, целостная тема обусловливает существование живого.
С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира.
Уровни организации живого. В середине XX в. в биологии сложились представления об уровнях организации как конкретном выражении упорядоченности, являющейся одним из основных свойств живого.
Живое на нашей планете представлено в виде дискретных единиц - организмов, особей. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, клеток, молекул), с другой - сам является единицей, входящей в состав надорганизменных биологических макросистем (популяций, биоценозов, биосферы в целом).
На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация (упорядоченность), обмен веществ, энергии и информации и т.д. Характер проявления основных свойств жизни на каждом из уровней имеет качественные особенности, упорядоченность. Как известно, в результате обмена веществ, энергии и информации устанавливается единство живого и среды, но понятие среды для разных уровней различно. Для дискретных единиц молекулярного и надмолекулярного (субклеточного) уровней окружающей средой является внутренняя среда клетки; для клеток, тканей и органов - внутренняя среда организма. Внешняя живая и неживая среда на этих уровнях организации воспринимается через изменение внутренней среды, т. е. опосредованно. Для организмов (индивидуумов) и их сообществ среду составляют организмы того же и других видов и условия неживой природы.
Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего уровня. Характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями, организменный - клеточным, тканевым, органным, видовой (популяционный) - организменным и т. д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях.
Молекулярный уровень. На молекулярном уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Жизненный субстрат для всех животных, растений, вирусов составляет всего 20 одних и тех же аминокислот и 4 одинаковых азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. Близкий состав имеют липиды и углеводы. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатых энергией аденозинфосфорных кислот (АТФ, АДФ, АМФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах ДНК (исключение составляют лишь РНК-содержащие вирусы), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК, синтезируемых на матричных молекулах ДНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связано хранение, изменение и реализация наследственной информации, этот уровень иногда называют молекулярно-генетическим.
Клеточный уровень. На клеточном уровне также отмечается однотипность всех живых организмов. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина архейской эры), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом.
Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих дифференцированные ткани. У многоклеточных организмов он развивается в период онтогенеза. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь 5 основных тканей входят в состав органов всех многоклеточных животных и 6 основных тканей образуют органы растений.
Организменный (онтогенетический) уровень. На организменном уровне обнаруживается труднообозримое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, да и в пределах одного вида, - следствие не разнообразия дискретных единиц низшего порядка, а все усложняющихся их пространственных комбинаций, обусловливающих новые качественные особенности. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов высших растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов.
Особь - организм как целое - элементарная единица жизни. Вне особей в природе жизнь не существует. На организменном уровне протекают процессы онтогенеза, поэтому уровень этот называют еще онтогенетическим Нервная и гуморальная системы осуществляют саморегуляцию в организме и обусловливают определенный гомеостаз.
Популяционно-видовой уровень. Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, свободно между собой скрещивающихся, составляет популяцию. Популяция - это элементарная единица эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биогеоценозов.
Биоценотический и биосферный уровни. Биогеоценозы - исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций разных видов, связанных между собой и окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, oбycлoвленный жизнeдeятeльнocтью организмов. Биогеоценозы составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.
Только при комплексном изучении явлений жизни на всех уровнях можно получать целостное представление об особой (биологической) форме существования материи.
Представление об уровнях организации жизни имеет непосредственное отношение к основным принципам медицины. Оно заставляет смотреть на здоровый и больной человеческий организм как на целостную, но в то же время сложную иерархически соподчиненную систему организации. Знание структур и функций на каждом из них помогает вскрыть сущность болезненного процесса. Учет той человеческой популяции, к которой относится данный индивидуум, может потребоваться, например, при диагностике наследственной болезни. Для вскрытия особенностей течения заболевания и эпидемического процесса необходимо также учитывать особенности биоценотической и социальной среды. Имеет ли дело врач с отдельным больным или человеческим коллективом, он всегда основывается на комплексе знаний, полученных на всех уровнях биологических микро-, мезо - и макросистем.
Соотношение физико-химическиx, биологических и социальных явлений. На нашей планете осуществилось три этапа развития материи: неорганический, биологический и социальный. Длительный процесс развития неживой природы привел к появлению биологического этапа. В процессе развития жизни и на его основе появился человек. С этим связано возникновение нового, высшего этапа существования материи, социального. Важно отметить, что с появлением новых форм движения материи прежние не уничтожаются. С появлением жизни в организмах сохраняются сложные физические процессы и разыгрываются сложные химические превращения, как писал Ф. Энгельс в работе «Диалектика природы»: «форма движения в органическом теле отличается от механической, физической, химической, содержа их в себе в снятом виде».
Как и у всего живого, физико-химические явления сохраняются и в человеческом организме. В процессе эволюции человек стал социальным существом, но в человеческом организме, как и у всех живых существ, происходят биологические процессы (биофизические, биохимические, физиологические, генетические, иммунологические и др.). К. Маркс в работе «Третья рукопись. Критика гегелевской диалектики и философии вообще» писал: «Человек является непосредственно природным существом. В качестве природного существа... он... наделен природными силами, жизненными силами... эти силы существуют в нем в виде задатков и способностей...». Однако природные задатки развиваются и реализуются лишь в социальных условиях, в процессе общения человека с другими людьми. Таким образом, в жизни человека в определенном соотношении взаимодействуют закономерности на различных уровнях организации материи. С одной стороны, человек- объект природы, и в нем проявляются закономерности природы (физико-химические и биологические), с другой - человек вне общества существовать не может и все особенности его как личности определяют социальные условия.
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ