Глава 1. МНОГООБРАЗИЕ ЖИВОГО МИРА. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения, или согласованности. Из курса ботаники и зоологии известно, что все живые организмы состоят из клеток.

клеток приводит к созданию нового качества, не равнозначного простой их сумме. Элементы организма — клетки, ткани и органы — в сумме еще не представляют собой целостный организм.

в I. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

В настоящее время выделяют несколько уровней организации живой материи.

1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, проявляется на уровне функционирования биополимеров, построенных из большого количества единиц — мономеров. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. Существует три типа биологических полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты.

2. Клеточный. Клетка является структурной и функциональ­ной единицей живых организмов, она представляет собой саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся живую систему. Свободиоживущих неклеточных форм жизни на Земле не существует.

3. Тканевый. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединенных выполнением общей функции.

4. Органный. Органы — это структурно-функциональные объединения нескольких типов тканей. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций, среди которых наиболее значительная — защитная, т.е. функция отграничения внутренней среды организма от окружающей среда.

5. Организменный. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций.

6. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, создает популяцию как систему надорганиэменного порядка. В этой системе осуществляются простейшие, эволюционные преобразо­вания.

7. Биогеоценотический. Биогеоценоз — совокупность организ­мов разных видов и факторов среды их обитания, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.

8. Биосферный. Биосфера — система высшего порядка, охва­тывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

Вопросы для повторения и задания

Перечислите биологические полимеры, входящие в состав живых систем

Какие уровни организации живой материн вызнаете?

Раскройте взаимосвязь различных уровней организации живой материи.

0 2. СВОЙСТВА ЖИВЫХ СИСТЕМ

Всем уровням организации живой материи присущи черты, отличающие ее от неживой материи.

1. Особенности химического состава. [3] В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, влюминием и т.д. В живых организмах 98 % их массы приходится на четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот.

2. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя наружу продукты жизне­деятельности.

Отметим, что в неживой природе также существует обмен веществами. Однако при небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние, например смыв почвы, превращение воды в пар или лед, растворение или кристаллизация минеральных соединений.

В отличие от обменных процессов, происходящих в неживой природе, у живых организмов они имеют качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существен­ными стали процессы синтеза и распада.

Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществам живого организма и из них строится его тело. Эти процессы называют ассимиляцией, или пластическим обменом, или анаболизмом.

Приведем несколько примеров. Растения из диоксида углерода и воды строят углеводы — крахмал и целлюлозу, которые используются как запасные питательные вещества и строительный материал. Белок куриного яйца в организме человека претерпевает целый ряд сложных превращений, прежде чем преобразуется в белки, свойственные нашему организму,— гемоглобин, кератин или любой иной.

Другая сторона обмена веществ — процессы диссимиляции (.катаболизм), в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необ­ходимая для реакций биосинтеза.

3. Самовоспроизведение (репродукция). Способность к разм­ножению, т.е. воспроизведению нового поколения особей того же вида,— одно из основных свойств живых организмов. Потомство в основных своих чертах обмчно похоже на родителей: кошки воспроизводят котят, собаки — щенят. Из семян одуванчика опять вырастает одуванчик. Деление одноклеточного организма — амебы — приводит к образованию двух амеб, полностью схожих с материнской клеткой. Таким образом, размножение — это свойство организмов воспроизводить себе подобных.

Что лежит в основе процесса самовоспроизведения? Обратим внимание на то, что этот процесс осуществляется практически на всех уровнях организации живой материи. Благодаря репро­дукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК — де­зоксирибонуклеиновой кислоты — при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную.

В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение — одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.

4. Наследственность. Заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК.

5. Изменчивость. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, так как при этом изменяются наследственные задатки — гены, определя­ющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц — молекул ДНК — всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении организмов осуществлялась бы преемственность только существовавших прежде признаков и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказалось бы невозможным.

Изменчивость создает разнообразный исходный материал для естественного отбора, т.е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

6. Рост и развитие. Способность к развитию — всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направ­ленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живой формы существования материи пред­ставлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.

На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. Независимо от способа размножения все дочерние особи, образующиеся из одной зиготы или споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т.е. возможность проявить те или иные признаки. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида. Развитие сопровождается ростом — увеличением его массы. Оно обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция,— это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением форм жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.

7. Раздражимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей средой: извлекает из нее питательные вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, всту­пает во взаимодействие с другими организмами и т.д. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на изменение внешней и внутренней среды.

Реакция многоклеточных животных на раздражение осущест­вляется через посредство нервной системы и называется рефлек­сом.

Организмы, не имеющие нервной системы, например про­стейшие или растения, лишены рефлексов. Их реакции, выража­ющиеся в изменении характера движения или роста, принято называть таксисами или тропизмами, прибавляя для их обозначения название раздражителя. Например, фототаксис — движение по отношению к источнику света, хемотаксис — перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Таксис может быть положительным или отрицательным в зависимости от того, действует раздражитель на организм привлекающим или отталкивающим образом.

Под тропизмом понимают определенный характер роста, который свойствен растениям. Так, гелиотропизм (от греч. гелиос

— Солнце) означает рост наземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. гея

— Земля) — рост подземных частей (корней) в направлении к центру Земли.

8. Дискретность. Само слово дискретность произошло от латинского «дискрету», что означает прерывистый, разделенный. Дискретность — всеобщее свойство материи. Так, из курса физики и общей химии известно, что каждый атом состоит из элемен­тарных частиц, а молекулы формируются из атомов. Из простых молекул образуются более сложные соединения или кристаллы и т.д. Жизнь на Земле также .проявляется в виде дискретных форм. Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолирован­ных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Например, любой вид организмов представлен отдельными осо­бями. В теле высокоорганизованной особи можно выделить пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка

— рибосомами и т.д., вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять свою функцию лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма — основа его структурной упорядоченности. Она создает ВОЗМОЖНОСТЬ постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, органоидов клетки, целых

клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида представляет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения неприспособленных особей и сохра­нения индивидов с полезными для выживания признаками.

9- Саморегуляция (авторегуляция). Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов. Так, недостаток поступления каких-либо питательных веществ

мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регуляторных систем — нервной и эндокринной. Сигналом для включения той или иной системы регуляции может быть изменение концентрации какого- либо вещества или состояния какой-либо системы.

Например, понижение концентрации АТФ — универсального аккумулятора (накопителя) энергии в клетке — служит сигналом, запускающим процесс его синтеза. Наоборот, восполнение запасов АТФ прекращает интенсивный синтез этого вещества. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы — инсулина, уменьшающего со­держание этого сахара в крови. Снижение уровня глюкозы в крови угнетает выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления.

10. Ритмичность. Это свойство присуще как живой, так и неживой природе. Обусловлено оно различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца, сменой времен года, фазами Луны и т.д. Для неживой природы характерны, например, изменения освещенности и температуры в течение года и суток, приливы и отливы в морях и океанах, перемещение воздушных масс — ветры и т.д. Живые организмы также подчиняются внешним датчикам времени, однако их реакции значительно сложнее.

Повсюду в живой и неживой природе распространены колебательные процессы. Океанские приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз Луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов, в том числе периодическая смена суши морем И моря сушей,— все это разные формы колебательных процессов. Периодические изменения в окружающей среде оказызают глу­бокое влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов.

Ритм — это повторение одного и того же события или воспроизведение одного и того же состояния через равные промежутки времени. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и многие другие.

Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т.е. на приспособление к меняющимся условиям существования.

11. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физики. Под «открытыми» системами понимают системы, в которых непрерывно происходит поглощение и удаление веществ, а также обмен энергией со средой. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия и материя в виде пищи из окружающей среды. Следует отметить, что живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками (наружная кле­точная мембрана у одноклеточных, покровная ткань у многокле­точных). Эти оболочки выполняют защитную функцию, обеспечивают постоянство внутренней среды, затрудняют обмен веществом между организмами и внешней средой, поддерживают пространственное единство биологических систем.

Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов физики и химии — неживых систем — своей исключительной сложностью и высокой структурной И функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи. На самом деле очень трудно дать строгое определение, что же такое «жизнь». Одно из определений с материалистических позиций более 100 лет назад дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». В это определение вошли два важных положения: 1) жизнь тесно связана с белковыми телами и 2) непременное условие жизни — постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь.

Достижения биологии нашего времени позволили вскрыть новые черты, характерные для живых организмов, и на этом основании дать более подробное определение понятия «жизнь». Современный отечественный ученый М.В. Волькенштейн опреде-

ляет это понятие так: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовосп- роизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот*.

Ознакомившись, таким образом, с основными признаками и свойствами живых организмов, можно перейти теперь к вопросу о возникновении жизни на Земле. Однако к чему сводится этот вопрос?

Уже отмечалось, что все живые существа обладают совокуп­ностью одних и тех же свойств и состоят ИЗ одних и тех же групп биологических полимеров, выполняющих определенные функции. Кроме того, практически все живые организмы, существующие на Земле, объединяет и то, что последовательность биохимических превращений, обеспечивающих обменные процес­сы, у них сходна вплоть до деталей Например, расщепление глюкозы, биосинтез белка и другие реакции у самых разных организмов протекают почти одинаково.

Следовательно, вопрос о происхождении жизни сводится к тому, как возникла столь универсальная система биохимических превращений и в каких реальных условиях возможны пояаление и начальные этапы развития живой материи.

Какими основными свойствами характеризуются живые систе-

Вопросы лая повторения и задания

Какие химические элементы наиболее широко распространены в неживой природе?

Из каких химических элементов состоят живые организмы?

Чем отличаются обменные процессы в неживой природе от обмена веществ у живых организмов?

Что такое самовоспроизведение (репродукция) живых организмов? Что лежит в

Каково значение наследственности в поддержании жизни на Земле?

Что такое развитие?

Какие формы развития вы знаете?

В чем сущность онтогенеза и филогенеза? Что такое раздражимость?

Назовите формы раздражимости

Какое значение для приспособления к условиям существования имеет разд­ражимость?

Приведите примеры дискретности организации живых систем.

Раскройте значение дискретности как принципа организации живых систем для поддержания их целостности