Благодаря низкой плотности лед всегда плавает на поверхности жидкой воды. Это предотвращает замерзание всей толщи воды и делает возможным жизнь подо льдом. Особые термические свойства воды также обеспечивают перемешивание воды в озерах.

Одно из наиболее важных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы - очень важное состояние вещества.

Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий сотни компонентов. Воздух - газовый раствор азота, кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которого изготавливают серебряные монеты, представляет собой твердый, или кристаллический, раствор серебра и меди.

Если один из компонентов раствора находится в большем количестве, чем другие, то его можно назвать растворителем. Другие компоненты называют растворенными веществами.

Кислоты, основания, соли

Кислота -- водородсодержащее веществом диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода. Основание -- вещество, содержащее ион гидрах- сила или гидроксильнув группу (ОН), которая при диссоциации данного вещества в водном растворе образует ион гидроксила. Согласно другому определение, кислота - донор протонов, а основание -- акцептор протонов. Кислота и основание, содержащее гидроксил, доит воду и соль:

NaOH + HCl ? NaCl + H₂O

Соль - это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е. превращаются в свободные ионы.

Окислительно-восстановительные реакции

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии. Источником энергии являются различные реакции. Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания.

Окисление можно описать как потерю электрона, а восстановление -- как получение электрона. В обычных окислительно-восстановительных реакциях эти два процесса происходят одновременно.

Окислительная или восстановительная способность определяется числом электронов, участвующих в окислении или восстановлении.

Окисление может происходить путем присоединения кислорода к веществу (собственно окисление), и путем отнятия водорода (дегидрирование). Второй вариант является самой распространенной формой биологического окисления.

Восстановление происходит в результате отщепления молекулярного кислорода, присоединения атома водорода или присоединения электрона.

Химия жизни

Вода с растворенными в ней различными простыми солями - необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод - самый важный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, для человечества. Наша жизнь - углеродная. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковы белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона на незаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или приняв четыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи, что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенно интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных, колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют “скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различное число атомов углерода - от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениями являются углеводороды, и простейшим среди них - метан CH₄. Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этой атмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленных углеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современных живых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собой соединения, содержащие только атомы углерода и водорода - ряд метана: метан - CH₄, этан - C₂H₆, пропан - C₃H₈, бутан - C₄H₁₀ и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяных и газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со дна болот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекул углеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородом является циклопропан C₃H₆, который может быть хорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом он воспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C₆H₁₂ - бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестве растворителя.

Спирты образуются из углеводорода при замещении одного атома водорода на гидроксильную группу - OH:

из метана CH₄ - метиловый спирт CH₃OH, из этана C₂H₆ - этиловый спирт C₂H₅OH. Из двух молекул спирта получается эфир: диэтиловый эфир C₂H₅OC₂H₅

Органические кислоты имеют группу COOH и образуются при окислении спиртов: C₂H₅OH + O₂ ? CH₃COOH (уксусная кислота) + H₂O.

Жирные кислоты представлены длинной последовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH₃ - (CH₂)₁₄ - COOH; олеиновая (ненасыщенная): CH₃ - (CH₂)₇ - CH = CH - (CH₂)₆ - COOH.

К гетероциклическим относятся соединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомы азота.

Пиримидин входит в состав транквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин -- в состав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в состав нуклеотидов ДНК.

Изомерия. Молекулы разных веществ могут иметь один и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примером могут служить этиловый спирт и диметиловый эфир - оба C₂H₆O.

Понять изомерию можно, сопоставив их структурные формулы:

Этиловый спирт известен в незапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а как важнейшая часть благородного напитка - вина. Диметиловый эфир - такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, с которым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемым для наркоза).

По мере увеличения числа атомов углерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C₉H₂₀ - 35 изомеров, у триаконтана C₃₀H₆₂ - 4 111 846 763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить все невозможно.

Ротамерия. Возникает в результате поворотов групп атомов вокруг центральной связи --C--C--. В отличие от изомеров ротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичной связи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов -- 10¹⁰ раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается на химических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разным конформациям молекулы. Так циклогексан C₆H₁₂ может иметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследования показали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия - новая отрасль этой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии и физике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен--CH₂--CH₂--CH₂--...

Молекула полимера принимает конформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочка самопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшей упорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертывания влияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длину клубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерных звеньев зависят друг от друга.

Если случайный толчок заставил данное звено повернуться, то это повлечет за собой изменение состояния соседнего звена и т.д. Таким образом, вероятность того или иного состояния звена зависит от состояния предшествующего звена, и речь идет о взаимозависимых событиях.

Теорию вероятностей взаимозависимых событий создал великий математик А. А. Марков (1856-1922). Зависимые вероятности образуют своего рода цепи, которые так и называются - цепи Маркова. Полимерная цепь - это цепь Маркова. Математический метод, созданный Марковым, позволил провести строгие расчеты размеров и других физических свойств макромолекул.

Молекулярные системы, элементарные единицы которых взаимодействуют друг с другом и поэтому ведут себя согласованно, называются кооперативными системами. Явления, выражающие это взаимодействие, эту согласованность, именуются кооперативными.

Полимерная цепь, макромолекула - кооперативная ротамерная система. [Растяжение резины - кооперативный процесс ротамеризации, конформационной перестройки].

Пример из Волькенштейна (1972). Я еду в переполненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упакованы плотно. Выйти удается только в результате согласованного, кооперативного перемещения пассажиров, обменивающихся местами. По мере приближения автобуса к конечной станции он постепенно пустеет. Кооперативность уменьшается, в конце концов можно выйти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая “Вы сходите?” и не прося подвинуться.

Еще пример. Процесс превращения газа в жидкость (или обратный процесс) - кооперативное явление, определяемое взаимодействием молекул, согласованностью в их поведении, вызванной силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как молекулам полимеров, макромолекулам особенно трудно двигаться и поворачиваться, они легко стеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и непрозрачные - это полимеры в стеклообразном состоянии.

Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем

Из всех полимерных веществ, существующих в природе и созданных человеком, самые важные - белки и нуклеиновые кислоты, биологические полимеры, макромолекулы.

Белки выполняют все жизненно важные функции в организме. Они являются катализаторами, управляющими всей химией живого организма, всеми биохимическими процессами. Они переносят кислород и запасают его, обеспечивая дыхание. Они служат основой движений внутри организма и движения организма как целого. Они защищают организм от болезней. Они являются главными опорными веществами тканей.

Короче говоря, белки умеют всё. Одного они, правда, не умеют - сами себя синтезировать. Для синтеза белков нужны другие полимеры - нуклеиновые кислоты.

Функциональность биополимеров непосредственно связана с их конформационными свойствами. Синтетические полимеры за редким исключением образуют статистические клубки в растворе. Биополимеры образуют глобулы. Глобула радикально отличается от клубка - глобула не рыхлое, а компактное образование, подобное твердому телу. Белковая глобула, построенная из цепи двадцати разных аминокислот, является по выражению Шредингера апериодическим кристаллом.

Замечательной физической особенностью аминокислот является их хиральность (за исключением глицина). Ниже приведены две формы аланина, l - левая и d - правая.

Эти две конфигурации нельзя совместить никаким поворотом, как правую и левую руки.

Весьма важно и интересно то, что все белки построены только из левых аминокислот. Правые и левые молекулы разнятся знаком вращения плоскости поляризации света, хиральные молекулы оптически активны. Соответственно оптически активны все белки, и это дает возможность их изучения.

При естественном свете плоскость электрических колебаний все время меняется. У поляризованного света плоскость колебаний фиксирована. Для получения такого света его пропускают через поляроидную пленку. Если пропустить плоскополяризованный свет через вещество, состоящее из асимметричных молекул, то плоскость поляризации повернется. Правые и левые молекулы поворачивают плоскость поляризации в разные стороны. Способность вращать плоскость поляризации и называется оптической активностью.

Рацемическая смесь, состоящая из равных чисел правых и левых молекул, не вращает плоскости поляризации.

Из Волькенштейна:

Маленькая Алиса разговаривает со своей кошкой: “Как бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Кисанька? Не знаю, давали ли бы тебе там молоко? А может быть, зеркальное молоко не годится для питья?” Алиса угадала, зеркальное молоко действительно совершенно не питательно. Почему же права маленькая Алиса?

Белки, поступающие в организм с пищей, расщепляются на аминокислоты. Из аминокислот строятся новые белки, свойственные данному организму. Но строятся они только из левых аминокислот. Следовательно, зеркально отраженное молоко ему ни к чему. Правые аминокислоты не годятся для синтеза белка.

Последовательность аминокислот в белковой цепи называется ее первичной структурой.

Объединение аминокислот в белковую цепь происходит за счет групп NH₂ и COOH с отщеплением молекул воды. Собственно говоря, это не полимеризация, а поликонденсация. Этот процесс применяется и в технике -посредством поликонденсации готовятся синтетические волокна - капрон и найлон. Но в капроне все звенья одинаковые, а в белке 20 разных звеньев - аминокислот.

В определенном белке аминокислотные остатки расположены в строго определенной последовательности. В этом смысле белок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом.

Содержание текста зависит от последовательности букв. Физико-химические и, следовательно, биологические свойства белка определяются его первичной структурой - последовательностью аминокислотных остатков в белковой цепи.

В любых текстах встречаются опечатки. Они могут кардинально изменить смысл написанного. В одном немецком издании произведения Ницше “Так говорил Заратустра” вместо слова Incest (кровосмешение) было напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что Заратустра родился от насекомого.

Известны “опечатки” и в белковом тексте. Они изменяют биологические свойства белка и приводят к очень тяжелым последствиям для организма.

Белки функционируют в водной среде. Полимерной цепи в растворе полагается свертываться в беспорядочный клубок, этого требует второе начало термодинамики. Но если бы белки существовали в клубкообразном состоянии, то это противоречило бы точности и специфичности их действия. Биологически функциональные белки не являются такими клубками. Напротив, их структура упорядочена, так как свобода внутренних поворотов в белковой цепи сильно ограничена.

Белковая цепь свернута в виде винтовой спирали благодаря внутренним поворотам вокруг единичных связей C--C и C--N. Спиральная конформация удерживается благодаря водородным связям между N--H - группой одной пептидной связи и C=O - группой другой пептидной связи.

При нагревании белка, при изменении его окружения (воздействие кислот, щелочей и пр.) вторичная структура разрушается. Происходит переход спираль - клубок по принципу “все или ничего”. Иными словами, вплоть до некоторой температуры (обычно меньше 100^°C) спираль устойчива, а затем разрушается как целое. Мы встречаемся здесь с кооперативным явлением, подобным фазовому переходу (нельзя освободить один атом, не трогая его соседей, также нельзя освободить одно звено в a-спирали, не разорвав соседних водородных связей.

Белковая цепь вследствие слабых взаимодействий между валентно не связанными звеньями свертывается в компактную глобулу, которая является третичной структурой. Глобулярная структура определяет функциональные свойства белка, и прежде всего его ферментативные свойства.

Не надо путать глобулу с беспорядочным полимерным клубком. Клубок -подвижная, флуктуирующая система, лишнная порядка. В глобуле сохраняется некоторая подвижность звеньев белковой цепи, но в целом она имеет вполне определенное строение.

Глобула стабилизирована целой совокупностью преимущественно слабых взаимодействий. (Слабые взаимодействия - это водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, электростатические взаимодействия между заряженными группами. Особо важную роль играют гидрофобные взаимодействия). Кроме того, имеются немногочисленные добавочные химические связи - дисульфидные связи S--S между остатками цистеина.

Среди 20 аминокислот имеются гидрофильные (глутамин, аспарагин, глицин и др.) и гидрофобные (триптофан, изолейцин, тирозин и др.). Гидрофобные аминокислоты имеют углеводородные R-группы.

Благодаря гидрофобным взаимодействиям гибкая белковая цепь сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофобные остатки оказываются в центральной части глобулы и не контактируют с водой.

Глобулярную структуру имеют белки, существующие и функционирующие в растворе в виде отдельных молекул. Белки, образующие различные ткани в организме, чаще всего имеют форму волокон, то есть фибриллярны (паутина, шелк, шерсть, коллаген).

Белки могут соединяться с дополнительным компонентом и в этом случае они называются протеидами: металлопротеиды (в нитрогеназе, обеспечивающей фиксацию азота в клубеньковых бактериях, присутствует молибден), фосфопротеиды, хромопротеиды (гемоглобин), липопротеиды (с жироподобным компонентом), гликопротеиды (углеводный компонент), нуклеопротедиы (с нуклеиновыми кислотами).

Нуклеиновые кислоты. Это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их мономерами являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех молекул: фосфорной кислоты, пентозного сахара и гетероциклического азотистого основания. Нуклеотиды ДНК содержат сахар -дезоксирибозу и одно из четырех азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин или тимин. Нуклеотиды РНК содержат сахар - рибозу и одно из четырех азотистых оснований - аденин, урацил, тимин или цитозин.

Схема строения нуклеотида:

фосфорная кислота - сахар - азотистое основание

Молекула РНК является одинарной цепочкой нуклеотидов, а молекула ДНК - двойной. У большинства организмов ДНК является носителем генетической информации (кодирует структуру белков), а РНК принимает участие в синтезе белков. У некоторых вирусов (например, онкогенных) нет ДНК, а носителем генетической информации у них является РНК.

Структура молекулы ДНК:

Матричный синтез. Информационные макромолекулы

На молекулярно-генетическом уровне в пределах клетки осуществляются процессы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Генетическая информация заключается в кодировании структуры белков - последовательности аминокислот в их молекулах. Эта информация “записана” последовательностью нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Носителем наследственной информации у большинства организмов служит ДНК, и лишь у некоторых вирусов - РНК.

Воспроизведение генетической информации осуществляется путем удвоения - редупликации молекул ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды двух цепей соединены строго определенным способом, образуя пары А-Т и Ц-Г. В результате цепи ДНК оказываются комплементарными или дополнительными. Редупликация молекул ДНК выражается в расхождении ее цепей и синтезе на них, как на матрицах, новых цепей. В силу принципа комплементарности новые молекулы ДНК оказываются идентичными исходной молекуле.

Материнская расхождение синтез комплементарных

Молекула днк цепей цепей и образование

Дочерних молекул днк

АТАГАГЦЦЦТЦА - АТАГАГЦЦЦТЦА - матрица

/ ТАТЦТЦГГГАГТ - новая цепь

АТАГАГЦЦЦТЦА

ТАТЦТЦГГГАГТ

\ АТАГАГЦЦЦТЦА - новая цепь

ТАТЦТЦГГГАГТ - ТАТЦТЦГГГАГТ - матрица

В способности молекул ДНК к самоудвоению заключена удивительная тайна наследственности - сходство родителей и детей.

Реализация генетической информации в клетке протекает в два этапа: 1 - синтез молекул информационной РНК на одной из цепей ДНК получил название транскрипции генетической информации в связи с тем, что последовательность АТЦГ в молекулах ДНК превращается в последовательность АУЦГ в молекулах РНК, и 2 - синтез белков из аминокислот на рибосомах - трансляция генетической информации, которая заключается в том, что последовательность нуклеотидов информационной РНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка.

Тема 2.1. Живые системы

Термодинамические особенности живых систем. Термодинамические основы жизни рассмотрены Э.Шредингером в книге “Что такое жизнь с точки зрения физика?” (1945). Он отметил, что на первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, согласно второму началу термодинамики, и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Организмы, однако, не изолированные, а открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Находясь в неравновесном состоянии, организмы поддерживают это состояние, постоянно совершая работу против термодинамического равновесия (Э.Бауэр, 1936). Поддержание неравновесного состояния, или даже уменьшение энтропии состояния организмов оплачивается поступлением энергии извне и увеличением энтропии в окружающей среде. Так что в системе “организм-среда” второе начало термодинамики не нарушается.

Принципы взаимодействия организма и среды обитания

Живой организм - открытая, термодинамически неравновесная система, связанная с окружающей средой обменом веществ и энергии. Среда - природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Условия среды - совокупность факторов, воздействующих на организм.

Можно выделить условия, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма (тепло, влажность, освещенность, соленость) и ресурсы вещества и энергии, которые используются организмом для поддержания неравновесного состояния. Продукты метаболизма (обмена) с высоким содержание энтропии организм выделяет в окружающую среду.

Своей жизнедеятельностью организм изменяет среду, изменяя и условия своей жизни. Изменение в условиях среды вызывают изменения и характера жизнедеятельности или поведения организма, которые носят адаптивный характер. Некоторые изменения среды могут оказаться несовместимыми с жизнью, что вызывает гибель или миграцию организма. Таким образом, взаимоотношения организма со средой характеризуются активностью организма по отношению к среде, что выражается в стремлении организма к самосохранению, гомеостазису, в поисках или даже создании (для животных) оптимальных условий для своего существования.

Принципы воспроизводства и развития живых систем

Самым поразительным свойством живого вещества является способность к воспроизведению и эволюции. Во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет ДНК, молекулы которой вместе с молекулами РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Генетическая информация в ДНК закодирована последовательностью нуклеотидов. Реализуется эта информация в процессе синтеза белков. Информация о структуре молекулы белка - о последовательности аминокислот в нем - содержится в одном из участков одной из молекул ДНК. Этот участок называется геном.

Совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма, называется генотипом. Совокупность признаков и свойств организма называется фенотипом. Фенотип формируется в ходе индивидуального развития - онтогенеза. Фенотип организма на разных стадиях онтогенеза различен. Весь ход онтогенеза, его стадии и конечный результат, продолжительность запрограммированы генотипом. Однако эта программа допускает изменения хода онтогенеза, признаков и свойств организма под влиянием условий внешней среды в пределах, которые называются нормой реакции. Такие изменения носят приспособительный, или адаптивный характер и называются модификациями.

На молекулярном уровне способность к воспроизведению обеспечивается репликацией двойных спиралей ДНК: на одной из половинок старой молекулы синтезируется половинка новой, в результате из одной материнской молекулы ДНК получается две дочерних, которые идентичны друг другу и материнской. Это матричный способ воспроизведения информации: спирали материнской молекулы ДНК являются матрицами для синтеза дочерних молекул.

Иногда при репликации ДНК происходят изменения в последовательности нуклеотидов, которые сохраняются и воспроизводятся при дальнейшей репликации. Такие изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК приводят к изменению последовательности аминокислот в молекулах белков и называются мутациями. Мутации приводят к изменению фенотипа, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными, что является причиной дифференциального размножения особей с различными генотипами. Дифференциальное размножение лежит в основе биологической эволюции.

Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма

Впервые клетки (точнее, пустые и уже неживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основной вклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).

Все живые организмы построены из клеток: одноклеточные - из одной, многоклеточные - из множества клеток, образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоит примерно из (одного квадрильона) клеток.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клетка состоит из трех основных частей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку от внешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы, содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, в котором содержится ДНК - хранитель генетической информации.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клетка способна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества, например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, а также избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечивает поддержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне. Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ, особенно солей.

Поглощение и выделение различных веществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану. Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана с потреблением энергии.

Внутри мембраны заключено клеточное содержимое - очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятся разнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К ним относятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь “сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатая энергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара и молекулы АТФ.

В клетках бактерий ДНК свободно располагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит в состав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной.

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций, которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимых клетке веществ контролируется следующим образом:

1) С помощью репрессии (подавление) или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза может выключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку или образовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена (индукция).

2) Посредством ингибирования (подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становится доступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как его самого, так и ферментов, участвующих в его образовании.

Ингибирование конечным продуктом есть проявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, который встречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачка спущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройство под действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудок через посредство нервной системы выключает чувство голода.

Жизненный цикл клетки

Новые клетки образуются только в результате деления предшествующих клеток (принцип Вирхова). Основной способ деления клеток - митоз. Жизненный цикл клетки представляет собой промежуток времени от момента возникновения клетки до последующего деления. В это время клетка растет, специализируется и выполняет соответствующие функции в составе тканей и органов многоклеточного организма.

Ткани животного организма характеризуются различной судьбой составляющих их клеток. Так, в постоянно обновляющихся тканях (костный мозг, кишечный эпителий, эпителий кожи) большинство клеток постоянно находятся в митотическом цикле (до 80%). В растущих тканях (печень, почки), напротив, только 5-10% клеток непрерывно делятся, а другие выходят из митотического цикла и дифференцируются. Клетки стабильных тканей (нервной и мышечной систем) в конце эмбрионального периода выходят из митотического цикла, необратимо дифференцируются и выполняют специфические функции в течение всей жизни организма.

Единство и многообразие клеточных типов

Разнообразие клеток столь же удивительно, как и разнообразие растений и животных. Проще всего устроены клетки цианобактерий и настоящих бактерий. У них отсутствуют ядра, митохондрии, пластиды и некоторые другие структуры, характерные для клеток высших организмов, не развита система внутренних мембран. В связи с отсутствием ядра такие клетки называются прокариотическими.

Бактериальные клетки могут быть округлыми, палочковидными, изогнутыми или скрученными. Клетки шарообразных бактерий (кокков) способны склеиваться друг с другом, образуя пары, комочки, пленки или длинные цепи. Палочковидные бактерии (бациллы) могут образовывать пары или цепочки, но чаще живут как одиночные клетки.

Клетки настоящих водорослей и наземных растений, грибов и животных имеют оформленное ядро и называются эукариотическими.

Огромное число эукариотических организмов существуют как отдельные клетки: одноклеточные водоросли (хлореллы), одноклеточные грибы (дрожжи) и одноклеточные животные (амебы, инфузории).

Клетки многоклеточных растений и животных могут выглядеть совершенно по-разному. Человек, например, как и все прочие позвоночные, состоит из нервных и мышечных клеток, клеток печени, костной ткани и многих других. Разнообразие формы и размеров клеток соответствует разнообразию их функций.

Несмотря на это разнообразие в основе своей все клетки очень сходны, и каждая клетка осуществляет все основные жизненные функции, которые свойственны любому живому существу.

Дифференциация и интеграция функций в организме

Многоклеточные организмы, к которым относятся высшие растения и животные, состоят из множества специализированных клеток, которые происходят из одной исходной неспециализированной клетки, в типичном случае зиготы. Вопрос о том, как происходит эта специализация, какой механизм координирует развитие различных клеток и организует построение их них различных тканей и органов, - один из самых волнующих в современном естествознании.

Первая стадия, ведущая к специализации клетки, - это детерминация (предопределение) ее будущей роли: станет ли она печеночной, мышечной или нервной и пр. Судьба клетки определяется на раннем этапе эмбриональной жизни и зависит от ее положения в эмбрионе. Например, у зародыша саламандры, когда он еще выглядит как почти бесформенный комочек, можно взять кусочек кожи с места будущей передней конечности и пересадить на боковую сторону другого эмбриона. Позже на этом необычном месте разовьется добавочная передняя лапа, растущая на боку саламандры. Следовательно судьба пересаженного кусочка кожи уже была необратимо предопределена.

Через некоторое время после того, как определится будущая роль клетки, эта клетка и ее потомки начинают готовиться к выполнению своих специальных функций. Клетки, предназначенные для выполнения определенной функции, по мере роста и деления, становятся все более и более специализированными и группируются в орган. Этот процесс совершается с невероятной точностью. Поразительный пример - рост тысяч нервных волокон из сетчатки глаза по направлению к зрительным центрам мозга.

Для координации и управления функциями у высших животных служат две коммуникационные системы - нервная и гуморальная.

Благодаря нервным клеткам, которые, подобно “датчикам” в системах регуляции, следят за параметрами внутренней среды (уровнем сахара, содержанием CO₂, температурой тела и пр.) животный организм может поддерживать постоянство внутренней среды. Это явление называется гомеостазом и наивысшего развития достигает у птиц и млекопитающих.

Гормональная система есть и у животных, и у растений. Гормоны - это органические соединения, которые образуются в специализированных клетках в небольших количествах и транспортируются по всему организму с жидкостями тела (кровь и пр.) и специфически управляют функциями других клеток или органов вдали от места своего образования.

К гормонам относятся у растений ауксины, гиббереллины, цитокинины (регуляторы роста); у животных - тироксин (щитовидная железа), адреналин и норадреналин (мозговое вещество надпочечников), инсулин (поджелудочная железа) и стероиды - гормоны коры надпочечников и половые гормоны.

В простейшем случае сама концентрация регулируемого гормоном субстрата тормозит или усиливает образование гормона. Например, повышенная концентрация глюкозы в сыворотке крови стимулирует секрецию инсулина, который снижает концентрацию глюкозы, усиливая синтез гликогена из нее. Напротив, возрастание концентрации кальция тормозит выделение гормона паращитовидной железы, который регулирует обмен кальция и фосфата.

Многие эндокринные железы сами находятся под гормональным контролем. Центральное место в иерархии эндокринных желез занимает гипофиз, тесно связанный с гипоталамусом. Передняя доля гипофиза вырабатывает пять гормонов, которые побуждают периферические эндокринные железы выбрасывать в кровь свои гормоны, а эти последние в свою очередь оказывают тормозящее воздействие на гипоталамо-гипофизарную систему.

Размножение и развитие организмов

Размножение - один из основных феноменов, присущих всему живому. Оно обеспечивает сохранение видов в ряду поколений.

При бесполом размножении новая особь возникает из одной или нескольких способных к делению клеток старой особи.

Размножение одноклеточных организмов осуществляется путем деления родительской клетки. В данном случае смерти организма в привычном понимании не наблюдается: одноклеточные потенциально бессмертны.

У многоклеточных организмов клетки дифференцируются на генеративные и соматические (сома - тело).

При половом размножении в результате слияния половых клеток (гамет) образуется зигота, из которой затем развивается новая особь. Родительские особи, оставив потомство, умирают.

Бесполое размножение широко распространено у низших организмов, но нередко встречается и у высших. Оно имеет определенные преимущества, которые заключаются в том, что дочерний организм получает точные копии всех генов материнского организма, так что родители и дети оказываются генетически идентичны. Эту идентичность мы наблюдаем при размножении растений черенками, отводками, клубнями и пр.

Половое размножение приводит к образованию новых комбинаций генов, полученных от двух родителей, и тем самым является причиной комбинативной изменчивости, которая обусловливает генетическую уникальность почти каждой дочерней особи и является важным фактором эволюции.

Развитие организмов заключается в постепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Индивидуальное развитие - онтогенез подразделяют на два этапа: эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Эмбриональным называется период с момента образования зиготы до рождения или вылупления из яйца.

В эмбриональном периоде развития выделяют следующие этапы: 1) дробление - деление зиготы и образование более мелких бластомеров, образование многоклеточного зародыша;

2) гаструляция - образование зародышевых листков (эктодермы и энтодермы)в результате перемещения клеточных масс; затем между ними образуется третий зародышевый листок - мезодерма;

3) первичный органогенез - образование комплекса осевых органов (у хордовых): нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

При дальнейшей дифференцировке клеток зародышевых листков из эктодермы образуются нервная система, органы чувств, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы - эпителий средней кишки, печень, поджелудочная железа, эпителий легких; из мезодермы - мышечная ткань, соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы.

Эмбриональное развитие высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) включает образование зародышевых оболочек: желточного мешка, аллантоиса и амниона.

Постэмбриональное развитие может быть прямым или сопровождаться превращением - метаморфозом.

Смерть и ее биологический смысл

Течение человеческой жизни, как и жизни всех других существ, от рождения до смерти запрограммировано генетически. Хотя средняя продолжительность жизни в результате успехов медицины за последние сто лет в развитых промышленных странах почти удвоилась и растет дальше, максимальная продолжительность жизни осталась почти неизменной.

Мы мало знаем о том, какими причинами обусловлен процесс старения многоклеточного организма. Старение, которое наиболее изучено у млекопитающих, можно определить как изменения, накапливающиеся в организме с течением времени и приближающие его к смерти (замедление процессов репарации и регенерации, снижение эффективности и активности иммуной, нервной и эндокринной систем, нарушение обмена кальция и пр.). Однако трудно решить, что здесь причина, а что лишь симптомы старения. Одной из причин старения считается накопление мутаций во всех клетках тела, но это не применимо ко всем видам. Попытки найти единственную причину старения оканчиваются неудачей.

Клетки и ткани в культуре in vitro от одноклеточных организмов до экспериментально изолированных клеток или даже тканей растений и животных потенциально бессмертны, их гибель наступает лишь при неблагоприятных условиях.

Все многоклеточные организмы “обречены” на смерть, но лишь человек знает об этом, сознает свою смертность. Сознание человеком неизбежности своей смерти делает для него неустранимым вопрос о смысле жизни. Вот почему смерть есть вечная тема культуры, “вдохновляющий гений философии” (Сократ).

Смысл смерти - создание условий для развития, обогащения жизни, так как видовой, родовой, в том числе и социальный прогресс возможен лишь в форме постоянной смены поколений индивидов - временных и реальных воплотителей родовых свойств и отношений.

Старение и смерть - генетически запрограммированы. Для каждого вида характерна определенная продолжительность жизни, которая может изменяться под действием отбора.

Многообразие биологических видов -- основа организации и устойчивости биосферы

Биосфера Земли населена множеством самых разнообразных живых существ: бактерий, грибов, растений и животных, общее число видов которых превышает 2 млн. Благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере осуществляется круговорот веществ и превращение энергии, вне которого не может существовать ни один живой организм. Полнота и устойчивость биотического круговорота зависит от количества видов, участвующих в нем.

Принципы систематики и таксономии

Живое отличается необычайным многообразием, изучением которого занимается систематика, или таксономия. Задачей систематика (таксономиста) является выделение и описание таксонов - групп организмов, обладающих определенным сходством строения, функций, поведения. Это сходство со времен Дарвина объясняется единством происхождения. Ранг таксона определяется с помощью систематических категорий, которые образуют следующий иерархический ряд от низшего к высшему: вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство. Конечной задачей систематика является построение системы таксонов органического мира, которая правильно отражает филогенетические (эволюционные) отношения между группами организмов. Такая система называется естественной.

Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов

Прежнее деление организмов на растения и животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и более царств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения, грибы и животные.

Вирусы относятся к доклеточным организмам. Они не имеют клеточного строения и могут размножаться только в настоящих клетках. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) и белков. При заражении клетки вирусом в нее проникает только нуклеиновая кислота вируса, которая заставляет клетку производить новые вирусные частицы. Вирусы некоторыми учеными рассматриваются как “заблудившиеся” или “одичавшие” гены.

Обнаружено, что вирусы являются причиной возникновения мутаций. После вирусных заболеваний (инфекционная желтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастает число поврежденных хромосом. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию от одного организма к другому как одного, так и разных видов.

В настоящее время известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных и 50 вирусов, паразитирующих в бактериях (бактериофагов).

Архебактерии и эубактерии относятся к прокариотам - клеточным организмам, не имеющим настоящего ядра. Основные признаки прокариот: генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулой ДНК; отсутствуют пластиды, митохондрии, вакуоли; отсутствует половой процесс, мейоз и митоз.

К архебактериям относятся метанообразующие бактерии, живущие в болотах и на затопленных рисовых полях. Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение “парникового эффекта”, ведущего к потеплению атмосферы Земли. Важнейшие поставщики метана - болота Западно-Сибирской низменности и Амазонии, рисовые поля Кубани, Средней Азии, Китая, Японии, стран Юго-Восточной Азии.

В настоящее время известно около 3000 видов бактерий и 1400 видов синезеленых (цианобактерий).

Зеленые и пурпурные бактерии - фотосинтезирующие организмы, но в отличие от зеленых растений они не выделяют кислород в результате этого процесса.

Хемосинтезирующие бактерии используют энергию окислительных процессов: серобактерии окисляют сероводород до серы; нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту; железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Часть бактерий используют энергию процессов брожения, конечным продуктом которого являются органические кислоты: наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии.

Гнилостные бактерии используют энергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечным продуктом их деятельности являются азотные соединения, в последующем окислении которых принимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, возникшие на самых ранних этапах эволюции жизни, сыграли важную роль в создании современного состава атмосферы, в изменении лика Земли.

Цианобактерии - фотосинтетики и побочным продуктом их фотосинтеза, как и у зеленых растений, является кислород. Синезеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и включать его в органические соединения. Некоторые синезеленые могут иметь дополнительные пигменты, изменяющие их цвет до черного, коричневого и красного. Цвет Красного моря определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированных синезеленых.

Синезеленые представлены не только одноклеточными, но также колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Это древнейшие организмы Земли, до сих пор играющие очень важную роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

К эукариотам относятся растения, грибы и животные. Их клетки имеют настоящие ядра, в которых располагаются хромосомы - линейные молекулы ДНК, связанные с белками.

Царство растений включает организмы, для которых характерно автотрофное питание путем фотосинтеза, для чего служат пластиды (хлоропласты): настоящие водоросли, красные водоросли и высшие растения.

К настоящим водорослям относятся, в частности, золотистые водоросли (около 400 видов), зеленые водоросли (около 5700 видов) и бурые водоросли (до 1500 видов). Тело простейших водорослей состоит из одной или двух клеток. Есть нитчатые и пластинчатые формы, состоящие из многих клеток, но настоящими многоклеточными организмами, для которых характерна дифференциация на ткани и органы, водоросли не являются.

Красных водорослей насчитывается до 4000 видов. Их клетки кроме хлорофилла содержат пигмент фикоэритрин, который позволяет существовать этим водорослям на глубинах до 100 м, на которую проникают только голубые, синие и фиолетовые лучи.

Тело высших растений расчленено на корень, стебель и листья. Корневая система, пронизывающая почву, обеспечивает растение водой и минеральными солями, в связи с чем для высших растений характерна неподвижность. Высшие растения подразделяются на споровые (мохообразные -23000 видов, папоротникообразные - 6600 видов) и семенные (голосеменные - 640 видов и покрытосеменные - 200000 видов).

Грибов известно около 100000 видов. К ним относятся хлебная плесень, пенициллум, шляпочные грибы, трутовики. Тела грибов состоят из нитей (гифов), образующих мицелий. Клеточная оболочка содержит хитин, который входит в состав покровов насекомых. Запасным веществом является гликоген - полисахарид, характерный для животных. Некоторые виды грибов входят в состав лишайников. Роль грибов очень важна в разложении растительных остатков.

Все животные - гетеротрофные организмы. Они активно добывают пищу, поедая, как правило, живые организмы. Добыча такого корма требует подвижности, с чем связано развитие органов передвижения, опорно-мышечной системы, нервной системы и органов чувств. Пища животными проглатывается либо в целом виде, либо по частям с участием зубной системы. Такой способ питания сопровождается развитием пищеварительной, кровеносной, дыхательной и выделительной систем органов. Животные характеризуются поведением (пищевым, территориальным, оборонительным, стадным, половым), которое может быть очень сложным.

Организация животных отличается исключительным разнообразием, а число известных видов (не считая вымерших) превышает 1,5 млн в том числе:

Простейшие 260000

Губки 10000

Кишечнополостные 10000

Черви круглые до 1 млн.

Черви кольчатые 15000

Членистоногие (ракообразные, 39000 паукообразные, 63000 насекомые) 1 млн.

Моллюски 100000

Иглокожие до 6000

Хордовые 41000

Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез

Наблюдаемое многообразие жизни является результатом ее эволюции на протяжении почти 4 млрд. лет. Биологическая эволюция выражалась в изменении видов, появлении новых видов с более сложной организацией, в усложнении структуры сообществ (биоценозов). На биологическую эволюцию существенное влияние оказывали условия, складывавшиеся в географической оболочке Земли, к которым виды должны были приспосабливаться. С другой стороны, организмы сами оказывали глубокое влияние на географическую оболочку Земли, изменяя ее физические и химические параметры. К этим новым условиям организмы также должны были приспосабливаться в процессе эволюции. Появление новых видов вызывало необходимость приспособления к существованию с ними старых. В результате некоторые из прежних видов вымирали. Эволюция, таким образом, носила сопряженный характер, что выражается термином “коэволюция”.

Наиболее общим выражением эволюции является усложнение организации жизни, строения, функций и поведения организмов. Это означало усложнение индивидуального развития (онтогенеза). Появление новых признаков и свойств, новых видов происходило в результате изменений в ходе онтогенеза предков. Онтогенез новых видов не только включал новые стадии и фазы развития, но также сохранял некоторые особенности развития предков. В результате в онтогенезе новых видов наблюдается повторение некоторых стадий онтогенеза предков, что нашло выражение в биогенетическом законе: онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Генетика и эволюция

Уникальной особенностью молекул ДНК является их способность к самокопированию - редупликации. Комплементарность азотистых оснований обеспечивает полное сходство дочерних молекул с материнской. В этом заключаются молекулярные основы наследственности. Организмы, имеющие одинаковый набор молекул ДНК или генов, генетически идентичны и фенотипически одинаковы. Таковы однояйцевые близнецы, или растения одного сорта, полученные от одной особи путем вегетативного размножения. Такие организмы могут различаться особенностями, которые возникают под влиянием условий среды на ход индивидуального развития, но эти изменения по наследству не передаются, хотя они генетически обусловлены.