Раздел 4. Биология.
Тема 4.1.
Свойства и уровни организации живой материи.
1. Живая материя: ее свойства, уровни организации.
2. Строение клетки.
3. Внеклеточные формы жизни.
4. Обмен веществ.
Живая материя: ее свойства, уровни организации.
Биология – наука о живой природе. Многообразие живой природы настолько велико, что современная биология представляет собой комплекс биологических наук, значительно отличающихся одна от другой. При этом каждая имеет собственный предмет изучения, методы, цели и задачи. Это вирусология, микробиология, микология, ботаника, зоология, антропология и др.
Задачи биологии: изучение закономерностей проявления жизни в строение и функций живых организмов и их сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и неживой природой); раскрытие сущности жизни; систематизация многообразия живых организмов.
Методы биологических исследований. Современная биология располагает широким набором методов исследования. Основными являются следующие методы:
1. Метод наблюдения и описания заключается в сборе на анализе сходства и различий изучаемых объектов.
2. Исторический метод изучает ход развития исследуемого объекта.
3. Метод эксперимента дает возможность изучать явления природы в заданных условиях.
4. Метод моделирования позволяет описывать сложные природные явления относительно простыми моделями.
Связь с другими науками. Биология тесно связана с фундаментальными науками (математикой, физикой, химией), естественными (геологией, географией, почвоведением), общественными (психологией).
Живая материя построена из тех же химических элементов, что и неживая (кислород, водород, углерод, азот, сера, фосфор, натрий, калий, кальций и другие элементы). В клетках они находятся в виде органических соединений. Однако организация и форма существования живой материи имеет специфические особенности, отличающие её от неживой.
Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности «делают» живое живым.
Свойства живой материи:
1. Самовоспроизведение;
2. специфичность организации;
3. упорядоченность структуры;
4. целостность и дискретность;
5. рост и развитие, обмен веществ и энергии;
6. наследственность и изменчивость;
7. раздражимость;
8. движение, внутренняя регуляция;
9. специфичность взаимоотношений со средой.
Выделяют следующие уровни организации живой материи: молекулярной субклеточный, клеточный, органно-тканевой, организменный, популяционно-видовой, биоценотический, биосферный.
1. Молекулярный(молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие как белки, нуклеиновые кислоты и др.
2. Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные структуры.
3. Клеточный. На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.
4. Органно-тканевой. На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань-совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющая определенную функцию или функции.
5. Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, её признаками.
6. Популяционно-видовой. На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).
7. Биоценотический. На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.
8. Биогеоценотический. На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).
9. Биосферный. На этом уровне. Живая материя формирует биосферу. Биосфера-оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.
Строение клетки.
Все живые существа состоят из клеток - маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Клетка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами.
Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. Несмотря на многообразие форм, организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.
Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Прокариотическая клетка. Прокариоты — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды.
У прокариотических клеток есть цитоплазматическая мембрана, также как и эукариотических. Поверхность клеток может быть покрыта капсулой, чехлом или слизью. У них могут быть жгутики и ворсинки.
Строение типичной клетки прокариот
Клеточное ядро, такое как у эукариот, у прокариот отсутствует. ДНК находится внутри клетки, упорядоченно свернутая и поддерживаемая белками. Этот ДНК-белковый комплекс называется нуклеоид. Энергетические процессы у прокариотов идут в цитоплазме и на специальных структурах - мезосомах (выростах клеточной мембраны, которые закручены в спираль для увеличения площади поверхности, на которой происходит синтез АТФ). Внутри клетки могут находиться газовые пузырьки, запасные вещества в виде гранул полифосфатов, гранул углеводов, жировых капель. Могут присутствовать включения серы (образующейся, например, в результате бескислородного фотосинтеза). У фотосинтетических бактерий имеются складчатые структуры, называемые тилакоидами, на которых идет фотосинтез. Таким образом, у прокариот, в принципе, имеются те же самые элементы, что и у эукариот, но без перегородок, без внутренних мембран. Те перегородки, которые имеются, являются выростами клеточной мембраны.
Эукариотическая клетка. Эукариоты — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих комплекс с белками, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты - прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды.
Строение эукариотической клетки
Функции клеточных органоидов: - митохондрии окисляют органические соединения и аккумулируют химическую энергию; - эндоплазматическая сеть благодаря наличию специальных ферментов синтезирует жиры и углеводы, ее каналы способствуют транспорту веществ внутри клетки; - рибосомы синтезируют белок; - комплекс Гольджи концентрирует белок, уплотняет синтезированные жиры, полисахариды, образует лизосомы и готовит вещества к выведению их из клетки или непосредственному использованию внутри нее; - лизосомы расщепляют углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и жиры, по сути, переваривая поступающие в клетку питательные вещества; - клеточный центр участвует в процессе деления клетки; - вакуоли, благодаря содержанию клеточного сока, поддерживают тургор клетки (внутреннее давление).
Строение клетки чрезвычайно сложно - на клеточном уровне протекает множество биохимических процессов, которые в совокупности обеспечивают жизнедеятельность организма.
Внеклеточные формы жизни.
Наряду с одно- и многоклеточными организмами в природе существуют и другие формы жизни. Таковыми являются вирусы, не имеющие клеточного строения. Они представляют собой переходную форму между неживой и живой материей.
Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским при исследовании мозаичной болезни листьев табака.
Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов (например, герпеса или гриппа) есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, возникающая из плазматической мембраны клетки хозяина.
Поскольку в составе вирусов присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, вирусы делят также на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. При этом наряду с двухцепочечными ДНК и одноцепочечными РНК встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК. ДНК могут иметь линейную и кольцевую структуры, а РНК, как правило, линейную. Подавляющее большинство вирусов относится к РНК-типу.
Вирусы способны размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток организмов они не проявляют никаких признаков жизни. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов.
Молекулы вирусной РНК могут самовоспроизводиться. Это означает, что вирусная РНК является источником генетической информации и одновременно иРНК. Поэтому в пораженной клетке в соответствии с программой нуклеиновой кислоты вируса на рибосомах клетки хозяина синтезируются специфические вирусные белки и осуществляется процесс самосборки этих белков с нуклеиновой кислотой в новые вирусные частицы. Клетка при этом истощается и погибает. При поражении некоторыми вирусами клетки не разрушаются, а начинают усиленно делиться, часто образуя у животных, в том числе и человека, злокачественные опухоли.
Бактериофаги. Особую группу представляют вирусы бактерий — бактериофаги, или фаги, которые способны проникать в бактериальную клетку и разрушать ее.
Тело фага кишечной палочки состоит из головки, от которой отходит полый стержень, окруженный чехлом из сократительного белка. Стержень заканчивается базальной пластинкой, на которой закреплены шесть нитей (см. рис. 5.2). Внутри головки находится ДНК. Бактериофаг при помощи отростков прикрепляется к поверхности кишечной палочки и в месте соприкосновения с ней растворяет с помощью фермента клеточную стенку. После этого за счет сокращения головки молекула ДНК фага впрыскивается через канал стержня в клетку. Примерно через 10—15 мин под действием этой ДНК перестраивается весь метаболизм бактериальной клетки, и она начинает синтезировать ДНК бактериофага, а не собственную. При этом синтезируется и фаговый белок. Завершается процесс появлением 200— 1 000 новых фаговых частиц, в результате чего клетка бактерии погибает.
Бактериофаги, образующие в зараженных клетках новое поколение фаговых частиц, что приводит к лизису (распаду) бактериальной клетки, называются вирулентными фагами.
Некоторые бактериофаги внутри клетки хозяина не реплицируются. Вместо этого их нуклеиновая кислота включается в ДНК хозяина, образуя с ней единую молекулу, способную к репликации. Такие фаги получили название умеренных фагов или профагов.
Обмен веществ.
Основу жизнедеятельности всех живых существ составляет процесс обмена веществ — метаболизм.
Обмен веществ — это совокупность химических превращений веществ, которые протекают в клетках в тесном взаимодействии с окружающей средой.
Выделяют две составные части метаболизма — процесс конструктивного обмена (питание) и энергетическою обмена (дыхание).
Процесс питания организма (или ассимиляция, или анаболизм) состоит из поступления и усвоения пищи и представляет собой совокупность химических реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза) Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии Этот процесс преобладает в период роста.
Катаболизм (или энергетический обмен, или диссимиляция) — совокупность химических реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии. Этот процесс начинает преобладать у организмов к старости.
Оба эти прямо противоположных процесса находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Они неотделимы один от другого, обусловливают рост, развитие и размножение организма. Конечные продукты обмена веществ выделяются во внешнюю среду. Значительное накопление их в среде неблагоприятно для организма.
Способы питания. По способу получения органических веществ, т.е. по способу питания, все живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофы (автотрофные организмы) — 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 солеи. В зависимости от источника энергии автотрофы подразделяются на фототрофы и хемотрофы. Фототрофы — организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии). Хемотрофы — организмы, использующие для Биосинтеза энергию химических реакции окисления неорганических соединении (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.)
Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий).
По способу получения пищи гетеротрофы делятся на фаготрофов и осмотрофов. Фаготрофы заглатывают твердые куски пищи (животные), Осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы. Большинство бактерий).
По состоянию источника пищи гетеротрофы подразделяются на биотрофы и сапротрофы. Биотрофы питаются живыми организмами. К ним относятся нюфаги (питаются животными) и фитофаги (питаются растениями), в том числе паразиты.
Сапротрофы используют в качестве пиши органические вещества мертвых тел или выделения (экскременты) животных. К ним принадлежат сапротрофные бактерии, сапротрофные грибы, сапротрофные растения (сапрофиты), сапротрофные животные (сапрофаги). Среди них встречаются детритофаги (питаются детритом), некрофаги (питаются трупами животных), копрофаги (питаются экскрементами) и др.
Некоторые живые существа в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Организмы со смешанным типом питания называются миксотрофами.
Миксотрофы — организмы, которые могут как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими веществами (насекомоядные растения, эвгленовые водоросли и др.).
Пластический обмен. Пластический обмен — это совокупность реакций синтеза в клетке высокомолекулярных органических и неорганических соединений, сопровождаемых затратой энергии. Пластический обмен имеет следующее значение:
• обеспечение строительным материалом растущие и делящиеся клетки;
• замена разрушенных химических веществ и структурных компонентов клетки;
• накопление в клетке энергетического материала.
Фотосинтез — это процесс образования органических веществ при участии энергии света в клетках зеленых растений. Он характеризуется двумя фазами
1) Световая фаза, осуществляется в тилакоидах. Кванты света — фотоны взаимодействуют с молекулами хлорофилла, которые переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние Энергия возбужденных молекул воздействует на диссоциированные частички воды; происходит разложение воды – фотолиз в результате которого выделяется молекулярный кислород. Энергия света способствует переходу АДФ в АТФ.
2) Темновая фаза, осуществляется в строме хлоропластов. Ключевое место занимает связывание СО2. Участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы Н, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками Углекислый газ присоединяется к существующим в клетке молекулам пентозы, которые функционируют в цикле Кальвина, — образуя углеводы.
Значение фотосинтеза:
• образование в биосфере свободной энергии в виде первичного органического вещества, созданного растениями (ежегодно 150 млрд т), обеспечивающего существование самих растений и гетеротрофных организмов (по мнению К.А. Тимирязева, растения, способные усваивать солнечную энергию, играют космическую роль);
• выделение в атмосферу кислорода (ежегодно до 200 млрд т), обеспечивающего клеточное дыхание самих растений и других организмов. Кислород необходим также для образования озона (ЗО2 -> 2О3), образующего озоновый экран, служащий защитой от коротковолнового УФ-излучения;
• получение продовольствия для человека и кормов сельскохозяйственным животным;
• запасание энергии в виде различных видов топлива (древесина, уголь, торф).
Энергетический обмен.
Энергетический обмен — это совокупность реакций распада в клетке высокомолекулярных органических соединений на низкомолекулярные органические и неорганические соединения, сопровождающихся выделением энергии. Энергетический обмен имеет следующее
1) использование энергии расщепления и окисления для синтеза АТФ;
2) передача энергии в виде АТФ в различные части клетки;
3) образование промежуточных продуктов (метаболитов) реакций расщеплении, и пользуемых клеткой в обмене веществ;
4) побуждение реакций синтеза в клетке новых соединений при израсходовании их запасов.
Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ.
АТФ (аденозннтрнфосфорная кислота) — мононуклеотид состоящий из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединяющихся между собой макроэргическими связями. В этих связях запасена энергия, которая высвобождается при их разрыве.
Запас АТФ в клетке ограничен и пополняется благодаря процессу фосфорилирования, т.е. присоединения остатка фосфорной кислоты к АДФ (АДФ + Ф -> АТФ). Он происходит с разной интенсивностью при дыхании, брожении и фотосинтезе. АТФ обновляется чрезвычайно быстро (у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин.).
Энергия, накопленная в молекулах АТФ, используется организмом в анаболических реакциях (реакциях биосинтеза). Молекула АТФ является универсальным хранителем энергии для всех живых существ.
Этапы энергетического обмена. Большинство живых существ, обитающих на Земле, относятся к аэробам, т.е. используют в процессах обмена веществ кислород из окружающей среды. У аэробов энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительном, бескислородном и кислородном. В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений. У организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде, — анаэробов, а также при недостатке кислорода диссимиляция происходит в два этапа: подготовительном и бескислородном. В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трехэтапном.
Д. З.
1. Изучить текст лекции.
Самостоятельно. Клеточная теория. Стр. 247.
Естествознание. Саенко О.Е., Трушина Т.П., Арутюнян О.В.М. 2018 Стр. 238 – 242 и 247- 267.