Концепция уровней биологических структур и организация живых систем

скачать (85.9 kb.)

  1   2
Лекция 8

Концепция уровней биологических структур и организация живых систем
. Электромагнитные взаимодействия как определяющий уровень организации материи

живая материя жизнь происхождение

Живое вещество, как и вся материя Вселенной, состоит из атомов и молекул, для которых уже известны определенные законы поведения, в том числе на квантово-молекулярном уровне. В этом смысле при научном познании живого возможно применение физических представлений и моделей по исследованию живой природы и закономерностей процессов, происходящих в живых организмах. По мнению многих современных исследователей живой и неживой природой управляют одни законы, однако механизм их проявления разный, что подтверждается синергетикой как наукой о неравновесных системах и самоорганизации. Функционирование всех систем живого организма динамично отражается в мозаике физических полей и излучений, исходящих из него, которые, в свою очередь, зависят от параметрических изменений естественных фоновых полей и излучений, окружающих живой организм. Так, человеческий организм способен продуцировать инфракрасное излучение (ИК), излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), электромагнитные поля (ЭМП) и электромагнитные излучения (ЭМИ). В то же время человеческий организм взаимодействует с полями окружающей природной среды, обусловленными гелио- и геофизическими факторами. Эти взаимодействия обеспечивают живому организму необходимый ему объем информации в процессе жизнедеятельности.

Электромагнитные поля и электромагнитные излучения являются основными видами излучения для живых организмов. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу. Электромагнитные взаимодействия характеризуют структуру и поведение атомов, отвечают за связи между молекулами различных веществ, определяя таким образом химические и биологические явления.

Электромагнитные поля и излучения в живом организме связаны с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в процессе онтогенеза. На клеточном уровне они возникают при работе митохондрий, на органном и организменном уровнях - при работе сердца и токе крови по сосудам, при нервных и мышечных сокращениях.

Электрические явления в живом организме характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и ритмами определенной характеристики, поскольку в каждом органе вырабатываются свои определенные, специфические электроколебательные процессы. Ритмичность и частота колебаний этих процессов зависят от степени активности организма. В свою очередь, активность физиологического состояния и работоспособность организма зависят от биоритмов и периодически меняются сообразно времени суток. Биологические ритмы проявляются на всех уровнях организации живой материи, начиная с клеток и заканчивая биосферой.

Биологические ритмы клеток обеспечиваются биохимическими колебательными процессами, связанными с движением ионов. Биохимические реакции в живом организме обусловлены биологическим током. Изменения электрических свойств организмов связано с перераспределением в них электрических зарядов при движении последних. Так, например, крови свойственны электропроводность и магнетизм. При ее движении по сосудам возникают электродинамические, электромагнитные и гидродинамические взаимодействия со стенками сосудов. Ритмичность на уровне растительных организмов проявляется в годовом изменении темпов роста, суточном движении листьев. Следовательно, электромагнитные взаимодействия являются атрибутом существования живой материи на любом уровне ее организации.
. Сущность живого, его основные признаки
Ответить на вопрос, что такое жизнь, дать ей точное, исчерпывающее определение современная наука не в состоянии. Живое имеет много общего с неживым. Однако организмы (живое) обладают своими специфическими признаками, которых нет у объектов неживой природы.

К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой природы, относят следующие:

1. Живые организмы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Они способны ассимилировать полученные извне вещества, перестраивать их в ткани своего тела.

2. Живое отличается сложным строением и системной организацией, и то и другое у живого намного выше, чем у неживых объектов. Живым системам свойственен более высокий уровень ассиметрии. Они характеризуются высокой самоупорядоченностью в пространстве и во времени.

. Живые организмы способны создавать порядок из хаоса уже на молекулярном уровне и тем самым противодействовать росту энтропии. Они извлекают структурированную полезную для организма отрицательную энтропию из окружающей среды, обеспечивая термодинамическую неравновесность своих систем. При этом избыток положительной, неструктурированной энтропии «сбрасывается» обратно в окружающую среду. Живому свойственна энергетическая экономичность и высокая эффективность использования энергии.

. Живое способно реагировать на внешние раздражители. Ему свойственны активность и движение во взаимодействии с окружающей средой.

. Живому свойственны самоорганизация, постоянное развитие, изменение и усложнение. Если в самоорганизации неживых структур молекулы просты, а механизм реакций сложен, то в живых системах, наоборот, молекулы очень сложны, а механизмы просты. В метаболических функциях важную роль играет обратная связь, образующаяся при кросскатализе и автоингибиции. Для развития и создания новых структур, новых органов необходима положительная обратная связь, расшатывающая систему, а для устойчивого состояния - отрицательная обратная связь. Таким образом, живой организм способен не только к саморегуляции, но и к самосохранению, устойчивости своего существования. Реакция живого организма на воздействия среды носит опережающий характер.

. Живые организмы способны размножаться, то есть воспроизводить самих себя. Это самовоспроизводство идет в избыточных количествах, что способствует естественному отбору.

. Наследственность живого определяется генетическим аппаратом, а изменчивость - условиями окружающей среды и реакцией на них. У живых организмов есть прошлое. Наследственная информация, заложенная в генах организма, необходима ему для существования, развития и размножения. Она передается по наследству его потомкам, определяя направление развития организма в окружающей среде. Организм гибко реагирует на изменяющуюся внешнюю среду, откликается новыми свойствами, которые, передаваясь потомкам, обеспечивают эволюцию их развития.

. Высшим формам живой материи свойственен разум, что позволяет им изучать, анализировать и познавать самих себя.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются и в неживой природе. Так, в среднем 75-85% массы клетки составляет вода, 10-20% - белки, 1-5% - жиры, 0,2-2% - углеводы, 1-2% - нуклеиновые кислоты, 0,1- 0,5% - низкомолекулярные органические соединения, 1-1,5% - неорганические вещества. Все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы Менделеева. Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Для всех объектов живой и неживой природы характерна одна и та же структурная организация материи на молекулярном, атомном и нуклонном уровнях. Кроме того, для всех них выполняются все известные фундаментальные законы природы, включая законы сохранения массы и энергии. Все это свидетельствует о единой природе живой и неживой материи.
. Структурные уровни организации живой материи
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.

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

. 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.

. 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.

. 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.
. Предмет биологии. Ее структура и этапы развития
Представление об уровнях живого отражает системный подход к изучению природы. Природа является объектом изучения такой науки как биология. Биология - это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Инструментом биологического исследования является разделение живой материи на уровни. В то же время решение конкретных биологических проблем опирается на данные обо всех уровнях живого, которые теснейшим образом связаны друг с другом. Биология, как и любая другая фундаментальная наука, развивалась длительно. В процессе ее становления обычно выделяют три основных этапа: традиционный (К.Линней), эволюционный (Ч.Дарвин), молекулярно-генетический (Г.Мендель). Каждый из них связан не только с увеличением объема биологических знаний, но и с изменением общих представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, или, говоря иначе, со сменой биологических парадигм. В настоящее время биология представляет собой комплекс наук о живой природе. Структуру этого комплекса можно рассматривать с разных точек зрения.

· По общему направлению исследований биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию.

· По изучаемым свойствам живого в биологической науке выделяются: морфология - наука о строении живых организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных в их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

· По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение отдельных тканей; цитология, исследующая строение клеток; бактериология и вирусология, изучающие соответствующие живые организмы; молекулярная биология, исследующая живые организмы не только на молекулярном, но и на более глубоком, атомарном уровне.
. Гипотезы происхождения жизни
Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует пять гипотез возникновения жизни:

1. Креационизм - гипотеза, утверждающая, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения. Имеет самую длинную историю. Основывается на наличии в живых организмах особой силы, «души», которая управляет всеми жизненными процессами.

2. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь никогда не возникала, а существовала всегда. С изменением природных условий изменялись и виды: одни исчезали, другие появлялись. Основывается на исследовании палеонтологов.

. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, которая основывается на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества, была выдвинута в древнем Китае и Индии как альтернатива креационизму. Эту гипотезу поддерживали Платон, Аристотель, Галилей, Декарт, Ламарк. Суть гипотезы: низшие живые организмы возникли из ила, сырой почвы, гниющего мяса. В опровержение этой гипотезы Ф.Реди сформулировал принцип: «Все живое - от живого», после того, как нашел причину появления червей на гниющем мясе. Л.Пастер своими опытами с вирусами окончательно доказал несостоятельность идеи спонтанного зарождения жизни.
  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации