Введение в биологию с основами экологии
Биология как наука
Биология – наука, изучающая свойства живой материи, а также жизнь во всех ее проявлениях. Правильнее говорить о биологии как окомплексе наук, отличающихся одна от другой. При этом все они непосредственно связаны с изучением живого, поэтому и объединяются в единую систему биологических наук. В рамках этой системы группы дисциплин можно разделить по различным направлениям исследований, а именно, по изучению:
1) систематических групп;
2) различных уровней организации живой материи;
3) структуры свойств и проявлений индивидуальной жизни;
4) структуры, свойств и проявлений коллективной жизни и сообществ живых организмов;
5) практического использования биологического знания;
6) по методам исследований и связям с другими науками.
Изучением систематических групп занимаются: вирусология – наука о вирусах; микробиология – наука, занимающаяся изучением микроорганизмов; микология – наука о грибах; ботаника (или фитология) – наука о растениях; зоология – наука о животных; антропология – наука о человеке.
При этом каждая из дисциплин делится на ряд более узких направлений в зависимости от объекта исследований. Например, зоология объединяет такие науки, как: протозоология – наука о простейших (одноклеточных) животных, малакология – наука о моллюсках, энтомология – наука о насекомых, териология – наука о млекопитающих, и др. В ботанике выделяются: альгология – наука о водорослях, лихенология – наука о лишайниках, бриология – наука о мхах, и др.
Разные уровни организации живого изучают: молекулярная биология – наука, исследующая общие свойства и проявления жизни на молекулярном уровне, цитология – наука о клетках, гистология – наука о тканях.
По свойствам и проявлениям жизни отдельных организмов следует различать: анатомию – науку о внутреннем строении, морфологию (в узком смысле) – науку о внешнем строении, физиологию – науку о жизнедеятельности целостного организма и его частей, генетику – науку о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Отдельно можно выделить науки о развитии живой материи. Сюда обычно относят биологию индивидуального развития организмов, включающую эмбриологию (наука о предзародышевом развитии, оплодотворении, зародышевом и личиночном развитии организмов), а также теорию эволюции или эволюционное учение (комплекс знаний об историческом развитии живой природы).
Изучением коллективной жизни и сообществ живых организмов занимаются: этология – наука о поведении животных, экология – наука об отношениях различных организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Как самостоятельные разделы экологии рассматривают: биоценологию – науку о сообществах живых организмов, популяционную экологию – отрасль знаний, изучающую структуру и свойства популяций, и др. Биогеография занимается изучением общих вопросов географического распространения живых организмов.
По методам исследований обычно выделяют биохимию, биофизику и биометрию. В зависимости от того, в какой именно области человеческой деятельности используются биологические знания, выделяют: биотехнологию, агробиологию, животноводство, ветеринарию, фитопатологию, медицинскую биологию, биологию охраны природы.
Биологические науки теснейшим образом связаны с физикой, химией, математикой, геологией, географией и принадлежат к единому комплексу естественных наук, т. е. наук о природе. Всех их объединяет не только предмет изучения – природа, но и методы, которыми пользуются исследователи для выяснения тех или иных закономерностей.
Наиболее общим и важным для биологических исследований является исторический метод, наблюдение, эксперимент, построение и изучение моделей их функционирования.
Как никогда остро сегодня стоят проблемы взаимоотношений человека с окружающей его средой, рационального использования ресурсов и охраны природы. Практика показала, что элементарное незнание законов биологии приводит к тяжелейшим, иногда необратимым последствиям как для самой природы, так и для человека.
Свойства живой материи
Рассмотрим наиболее общие признаки живого вещества.
1. Питание. Пища нужна всем живым существам. Они используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности.
Дыхание. Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия. Поэтому основная масса питательных веществ, получаемых в результате питания, используется в качестве источника энергии. Энергия высвобождается в процессе дыхания при расщеплении некоторых высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая энергия запасается в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), который обнаружен во всех живых клетках.
3. Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что помогает им выжить.
.4. Подвижность. Животные отличаются от растений способностью перемещаться из одного места в другое, т. е. способностью к движению. Животным необходимо двигаться, чтобы добывать пищу.
5.Выделение, или экскреция , – это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ.
Размножение. Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения. В молекулах этих кислот содержится закодированная наследственная информация, которая передается от одного поколения к другому.
Рост. Живые существа растут изнутри за счет питательных веществ, которые организм получает в процессе автотрофного или гетеротрофного питания. В результате ассимиляции этих веществ образуется новая живая протоплазма.
Эти семь главных признаков живого более или менее выражены у любого организма и служат единственным показателем того, жив он или мертв. Не следует, однако, забывать, что все эти признаки - лишь наблюдаемые проявления главных свойств живой материи (протоплазмы), т. е. ее способности извлекать, превращать и использовать энергию извне. К тому же протоплазма способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы.
Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии. Такая регуляция направлена на поддержание гомеостаза на всех уровнях организации живых систем - от молекул до целых сообществ.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Знакомство с биологической химии имеет большое значение, прежде всего, для формирования отчетливого понимания жизненных процессов.
Современные достижения биохимии в раскрытии молекулярных механизмов живой природы позволяют понять физико-химические основы жизнедеятельности, биоэнергетики, обмена веществ, саморегуляции биохимических процессов в организме.
Данное учебное пособие предназначено для подготовки студентов по направлению «Экология и природопользование», но может быть использовано также студентами других специальностей при изучении курса общей биохимии, разделов органической химии посвященных биоорганическим соединениям. При написании данного учебного пособия автор исходил из того, что студенты, начинающие изучать биохимию, уже знакомы с вопросами общей и органической химии. Поэтому из огромного материала выбраны основные темы и вопросы, позволяющие дать студенту общие представления о молекулярных основах жизни.
Данное учебное пособие придерживается антропоцентрического принципа, все вопросы общей биохимии рассматриваются, прежде всего, в приложении к организму человека, но в сравнении с другими живыми организмами всех уровней организации. Учебное пособие построено таким образом, что обеспечивает постепенность перехода от более простых вопросов статической биохимии к более сложным вопросам динамической биохимии, включающим иногда и некоторые аспекты биохимии функциональной. Поэтому в первой части пособия рассмотрены основные признаки и химический состав живых организмов; даны современные представления о строении, свойствах и биологических функциях белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов, ферментов, витаминов, коферментов, гормонов. Далее во второй части рассматриваются основные вопросы обмена веществ и энергии, биологического окисления; обмена углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, белков и водно-солевого обмена, молекулярные основы переноса информации, регуляции биохимических процессов, а также биохимические функции отдельных органов и тканей.
Учебное пособие содержит таблицы и рисунки, а также большое количество реакционных схем, структурных формул и химических названий, так как, не зная химического строения биоорганических веществ и сущности их химических превращений, невозможно понять их биологическую роль и физиологическое значение при рассмотрении функциональной активности органов и тканей.
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи биохимии
Биологическая химия - сравнительно молодая наука. Как самостоятельная научная дисциплина она возникла в конце XIX века, когда в ряде университетов были созданы кафедры биохимии, написаны учебники по этому предмету, а курс биохимии стал непременной составной частью подготовки биологов и медиков, специалистов пищевой индустрии.
Биологическая химия - наука о молекулярных основах жизни, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а, также связь этих превращений с деятельностью органов и тканей, изменениями в окружающей среде.
В зависимости от подхода к изучению живых организмов, биохимию делят на три крупных раздела:
1) статическая биохимия;
2) динамическая биохимия;
3) функциональная биохимия.
Статическая биохимия изучает качественный состав и количественное содержание соединений, входящих в состав биологических объектов.
Динамическая биохимия изучает всю совокупность превращений химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности организмов.
Функциональная биохимия изучает связь между строением химических соединений, их превращениями, с одной стороны, и функцией тканей или органов, содержащих эти вещества, - с другой стороны.
Вышеназванные три раздела биохимии неразрывно связаны между собой, так как в живом организме состав и строение веществ неотделимы от их преобразований, а также и от функций органов, в которых эти вещества содержатся. Но в методологическом плане такое деление удобно, так как, с одной стороны, отражает историю развития биохимии, а с другой - позволяет постепенно, перейти при изучении курса от более простых вопросов к более сложным.
В зависимости от объекта исследования биологическую химию делят на целый ряд направлений.
Общая биохимия - рассматривает закономерности содержания и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических соединений, общих для живой материи в целом. Несмотря на биохимическое единство всего живого, в животных, растительных и микроорганизмах существуют и коренные различия, прежде всего в характере обмена веществ. Обмен веществ или метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках организма (рис. Стр 117), направленная на сохранение и самовоспроизведение живых систем. Вышеизложенное объясняет существование помимо общей биохимии и некоторых других направлений биологической химии.
Биохимия животных - изучает состав животных организмов и превращение в них веществ и энергии.
Биохимия растений - исследует состав растительных организмов и процессы метаболизма в них.
Биохимия микроорганизмов - занимается составом и превращением веществ в микроорганизмах.
Медицинская биохимия (биохимия человека) - включает в себя все общебиохимические направления, но в той их части, которая имеет отношение к здоровью и болезням человека, то есть она изучает состав и превращения веществ в организме человека в норме и патологии.
Фармацевтическая биохимия занимается разработкой новых лекарственных препаратов; вопросами стандартизации и контроля качества лекарств, метаболизма их в организме.
Сравнительная биохимия - сопоставляет состав и пути превращений веществ у организмов различных систематических групп, в том числе и в эволюционном аспекте.
Техническая биохимия - исследует состав важнейших пищевых продуктов и изучает процессы, происходящие при их производстве и хранении.
Таким образом, биохимия в целом изучает химические и физико-химические процессы, результатом которых являются развитие и функционирование живых систем всех уровней организации. Главной задачей для биохимии является выяснение функционального (биологического) назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизма нарушения этих функций при разных заболеваниях.
Биохимия имеет огромное теоретическое и практическое значение, особенно велико ее значение в биологии, так как управление жизнедеятельностью любого организма (человека, животного, растения, микробов) невозможно без расшифровки в достаточной мере набора, строения и свойств химических соединений в его составе, а также без выяснения закономерностей их превращений в процессе жизнедеятельности организма.
Кроме того, в биохимии, а именно биоорганической химии, исходя из функций отдельных веществ в организме и механизма их действия разрабатываются принципы создания синтетических биоактивных соединений, т.е. веществ, определенным образом изменяющих функции организма. На базе известных микроорганизмов путем пересадки новых или модификации уже имеющихся генов создаются новые штаммы микроорганизмов, которые применяют для производства дешевого кормового белка и незаменимых аминокислот. При этом в качестве питательной среды для таких микроорганизмов часто используют парафины нефти. Разработаны биологические способы переработки промышленных и бытовых отходов, очистки морей от нефтепродуктов с помощью специально выведенных мутантов бактерий. Биологические катализаторы - ферменты применяются в фармацевтической промышленности для синтеза лекарств. Опять же с помощью микроорганизмов и методов генной инженерии созданы экономичные способы промышленного производства лекарственных препаратов - аминокислот, нуклеотидов, нуклеозидов, витаминов, антибиотиков и др. Разработаны быстрые и специфичные методы анализа лекарств с использованием ферментов в качестве аналитических реагентов.
Таким образом, биохимия является фундаментом для решения важнейших вопросов производства продовольствия, медицины, экологии. Закономерности распада и синтеза химических соединений в природных условиях используются в промышленности и защите окружающей среды.
Основные признаки живой материи
Основными признаками, отличающими живой организм от неживого, являются следующие: 1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность); 2) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии; 3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений; 4) самовоспроизведение. Рассмотрим отдельно каждый признак.
1. Высокий уровень структурной организации (упорядоченность). Если клетку разобрать на отдельные молекулы, а затем расположить их по степени сложности, получится своеобразная шкала уровней организации клетки (См. ниже рисунок иллюстрирующий иерархию живой материи).
Переход от простых биомолекул к сложным биоструктурам основывается на физико-химических принципах самоорганизации, в основе которой лежат химические взаимодействия между молекулами в составе живой материи. Ковалентные связи обеспечивают все многообразие простых биомолекул и макромолекул.
Укладка макромолекул в пространстве и организация надмолекулярных структур, органоидов и клетки осуществляется с участием слабых связей (водородных и ван-дер-ваальсовых). Ковалентные связи обусловливают прочность и устойчивость биомолекул, а слабые связи обеспечивают лабильность биоструктур. Более сложная организация объясняет явления живой природы и отличия живой материи от неживой.
Рис. Иерархия структурной биохимической организации живой материи
2. Способность к преобразованию и использованию энергии. Структурная организация (упорядоченность) живой природы связана с законами термодинамики. На первый взгляд, упорядоченность структуры живых организмов противоречит второму закону термодинамики, согласно которому в изолированной системе спонтанные процессы происходят в направлении увеличения энтропии (беспорядка). Энтропия вселенной стремится к максимуму. Но под "вселенной" подразумевается система и ее окружение. Это важно подчеркнуть, так как энтропия системы может спонтанно уменьшаться до тех пор, пока окружающая среда может это скомпенсировать. Этим объясняется антиэнтропийность живых организмов, являющихся открытыми системами (обмен с окружающей средой веществом и энергией). Живые существа - очень упорядоченные структуры с низкой энтропией, однако они растут и поддерживают жизнь в силу того, что при их метаболизме генерируется избыток энтропии в окружающей среде.
Для поддержания структурной упорядоченности живые организмы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термодинамики, они потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное количество энергии в окружающую среду в форме теплоты. Обмениваясь с внешней средой энергией и веществом, клетка является открытой неравновесной системой. Если бы эти процессы пришли в состояние равновесия, то упорядоченность клетки не могла бы поддерживаться за счет окружающей среды, и она бы погибла.
3. Обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений. Поступающие в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал. Для построения нужных организму молекул поступающие извне вещества подвергаются химическим превращениям. Продукты этих превращений, т.е. продукты обмена, выводятся из организма во внешнюю среду. Биологические катализаторы белковой природы - ферменты - обеспечивают высокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживых объектах белков, в том числе и белков - ферментов, исключает у них возможность специфического обмена веществ и саморегуляцию химических превращений.
4. Самовоспроизведение, передача наследственной информации. Самым уникальным признаком живых организмов, полностью отсутствующим в неживой природе, является способность к самовоспроизведению. Все многообразие живых существ определяется наследственной программой, заложенной в нуклеиновых кислотах. Генетическая информация хранится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью ее строения является потенциальная возможность самокопирования и, следовательно, передачи наследственных признаков от одного поколения организма к другому. Информация, заложенная в ДНК, реализуется через рибонуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответствующего белка. При этом процесс передачи наследственной информации не может происходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюции белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные живые организмы.
Похожая информация.
Свойства живых организмов
1. Обмен веществ и энергии с окружающей средой.
2. Раздражимость (способность реагировать на воздействия).
3. Размножение (самовоспроизведение).
Уровни организации живой материи
1. Молекулярный - это уровень сложных органических веществ - белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне происходят химические реакции обмена веществ (гликолиз, кроссинговер и т.п.), но молекулы сами по себе еще не могут считаться живыми.
2. Клеточный . На этом уровне возникает жизнь , потому что клетка - минимальная единица, обладающая всеми свойствами живого.
3. Органно-тканевой - характерен только для многоклеточных организмов.
4. Организменный - за счет нервно-гуморальной регуляции и обмена веществ на этом уровне осуществляется гомеостаз , т.е. сохранение постоянства внутренней среды организма.
5. Популяционно-видовой . На этом уровне происходит эволюция , т.е. изменение организмов, связанное с приспособлением их к среде обитания под действием естественного отбора. Наименьшей единицей эволюции является популяция.
6. Биогеоценотический (совокупность популяций разных видов, связанных между собой и окружающей неживой природой). На этом уровне происходит
- круговорот веществ и превращение энергии , а также
- саморегуляция , за счет которой поддерживается устойчивость экосистем и биогеоценозов.
7. Биосферный . На этом уровне происходит
- глобальный круговорот веществ и превращение энергии , а так же
- взаимодействие живого и неживого вещества планеты.
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каких уровнях организации живого изучают значение фотосинтеза в природе?
1) биосферном
2) клеточном
3) биогеоценотическом
4) молекулярном
5) тканево-органном
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Какой уровень организации живой природы представляет собой совокупность популяций разных видов, связанных между собой и окружающей неживой природой
1) организменный
2) популяционно-видовой
3) биогеоценотический
4) биосферный
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Генные мутации происходят на уровне организации живого
1) организменном
2) клеточном
3) видовом
4) молекулярном
Ответ
Выберите один, наиболее правильный вариант. Элементарная структура, на уровне которой проявляется в природе действие естественного отбора
1) организм
2) биоценоз
3) вид
4) популяция
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки служат сходными для живых и неживых объектов природы?
1) клеточное строение
2) изменение температуры тела
3) наследственность
4) раздражимость
5) перемещение в пространстве
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каких уровнях организации живого изучают особенности реакций фотосинтеза у высших растений?
1) биосферном
2) клеточном
3) популяционно-видовом
4) молекулярном
5) экосистемном
Ответ
Ниже приведен перечень понятий. Все они, кроме двух, являются уровнями организации живого. Найдите два понятия, «выпадающих» из общего ряда, и запишите цифры, под которыми они указаны.
1) биосферный
2) генный
3) популяционно-видовой
4) биогеоценотический
5) биогенный
Ответ
1. Установите, в какой последовательности располагаются уровни организации живого. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) популяционный
2) клеточный
3) видовой
4) биогеоценотический
5) молекулярно-генетический
6) организменный
Ответ
2. Установите последовательность усложнения уровней организации живого. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) биосферный
2) клеточный
3) биогеоценотический
4) организменный
5) популяционно-видовой
Ответ
Расположите в правильном порядке соподчинение систем разных уровней, начиная с наибольшего. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1) соединительная ткань
2) ион железа
3) эритроцит
4) гемоглобин
5) форменные элементы
6) кровь
Ответ
1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Клеточный уровень организации совпадает с организменным у
1) бактериофагов
2) амёбы дизентерийной
3) вирус полиомиелита
4) кролика дикого
5) эвглены зелёной
Ответ
2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Клеточному и организменному уровням организации жизни одновременно соответствуют.
1) гидра пресноводная
2) спирогира
3) улотрикс
4) амеба дизентерийная
5) цианобактерия
Ответ
3. Выберите два верных ответа. У каких организмов совпадают клеточный и организменный уровни жизни?
1) серобактерия
2) пеницилл
3) хламидомонада
4) пшеница
5) гидра
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Одна амеба обыкновенная одновременно находится на:
1) Молекулярном уровне организации жизни
2) Популяционно-видовом уровне организации жизни
3) Клеточном уровне организации жизни
4) Тканевом уровне организации жизни
5) Организменном уровне организации жизни
Ответ
1. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Живое от неживого отличается
1) способностью изменять свойства других объектов
2) способностью изменять свои свойства под воздействием окружающей среды
3) способностью реагировать на воздействия окружающей среды
4) способностью участвовать в круговороте веществ
5) способностью воспроизводить себе подобных
Ответ
2. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки присущи только живому веществу?
1) рост
2) движение
3) самовоспроизведение
4) ритмичность
5) наследственность
Ответ
3. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Для всех живых организмов характерно
1) образование органических веществ из неорганических
2) поглощение из почвы растворённых в воде минеральных веществ
3) активное передвижение в пространстве
4) дыхание, питание, размножение
5) раздражимость
Ответ
4. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие признаки характерны только для живых систем?
1) способность к передвижению
2) обмен веществ и энергии
3) зависимость от температурных колебаний
4) рост, развитие и способность к самовоспроизведению
5) устойчивость и относительно слабая изменчивость
Ответ
5. Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Для организмов, в отличие от объектов неживой природы, характерны
1) изменение
2) движение
3) гомеостаз
4) эволюция
5) химический состав
Ответ
Установите соответствие между уровнями организации живого и их характеристиками и явлениями: 1) биоценотический, 2) биосферный. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) процессы охватывают всю планету
Б) симбиоз
В) межвидовая борьба за существование
Г) передача энергии от продуцентов консументам
Д) испарение воды
Е) сукцессия (смена природных сообществ)
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Онтогенез, метаболизм, гомеостаз, размножение происходят на … уровнях организации.
1) клеточном
2) молекулярном
3) организменном
4) органном
5) тканевом
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. На популяционно-видовом уровне организации жизни находятся
1) рыбы озера Байкал
2) птицы Арктики
3) Амурские тигры Приморского края России
4) городские воробьи Парка культуры и отдыха
5) синицы Европы
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие из уровней организации жизни являются надвидовыми?
1) популяционно-видовой
2) органоидно-клеточный
3) биогеоценотический
4) биосферный
5) молекулярно-генетический
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. Клеточному уровню организации жизни соответствует
1) хламидомонада
2) серобактерия
3) бактериофаг
4) ламинария
5) лишайник
Ответ
Выберите два варианта. Энергетический обмен у обыкновенной амёбы происходит на уровне организации живого
1) клеточном
2) биосферном
3) организменном
4) биогеоценотическом
5) популяционно-видовом
Ответ
Выберите два верных ответа из пяти и запишите цифры, под которыми они указаны. На каком уровне организации происходят такие процессы, как раздражимость и обмен веществ?
1) популяционно-видовой
2) организменный
3) молекулярно-генетический
4) биогеоценотический
5) клеточный
Ответ
© Д.В.Поздняков, 2009-2019
1.Отличительные признаки живой материи.
1. Сложное строение при относительно небольшом количестве биомолекул (белки, жиры, углеводы, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты)
2. Высокий уровень структурной и функциональной организации биологических объектов со строго определенным назначением каждой составной части живого организма.
3. Способность живого организма поддерживать жизнедеятельность за счет обмена материей и энергией с окружающей средой.
4. Саморегулирование биохимических реакций
5. Самовоспроизводство и передача наследственной информации в каждом виде живых организмов
2.Биомолекулы (простые и сложные); биополимеры. Структурная организация клетки
Простые: α- аминокислоты, мононуклеотиды, моносахариды, липиды, мононуклеопротеиды
Сложные: белки, полисахариды, ДНК,РНК(нуклеиновые кислоты),полионуклеотиды.
Биополимеры-липиды,полисахариды,нуклеиновые кислоты (ДНК,РНК), липиды,белки.
Сахара имеют общую формулу С(Н 2 О) n , где п - целое число (от 3 до 7), Все сахара содержат гидроксильные, а также либо альдегидные, либо кетонные группировки. Взаимодействуя друг с другом, моносахара могут образовывать ди-, три- или олигосахариды. Сахара являются главным энергетическим субстратом клеток. Кроме того, они образуют связи с белками и липидами, а также являются строительными блоками при образовании более сложных биологических структур. Основными реакционноспособными группировками Сахаров являются гидроксильные группы, участвующие, в частности, п образовании связей между мономерами.
Жирные кислоты содержат в своем составе углеводную цепь и гидрофильные карбоксильные группы, образующие амиды и эфиры. Как и углеводы, жирные кислоты являются источником энергии для организма. Но главное их начение связано с участием в образовании клеточных мембран. Свободные жирные кислоты обнаружены на границе раздела фаз липид-вода. Однако в организме чаще всего они этерифицированы или соединены с другими липидными структурами. В организме животных в наибольших количествах нахо-ин гея пальмитиновая, олеиновая и стеариновая жирные кислоты. В растениях, кроме перечисленных, в больших количествах обнаружена также линолевая кислота.
Аминокислоты, находящиеся в биологических тканях, в основном используются для построения белковых макромолекул. Несмотря на различия в химическом строении, они содержат аминную и карбоксильную группы, соединенные с асимметричным атомом углерода. При помощи пептидных связей они образуют длинные полипептидные цепи - составные части белков.
Нуклеотиды трехкомпонентнйсе структуры, состоящие из азотистых оснований и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания, в очередь, делятся па пуриновые и пиримидиновые, а сахар (пентоза) - на рибозу и дезоксирибозу.
Нуклиотиды являются составными частями высоко-полимерных нуклеиновыхкислот - носителей генетической информации
Для определения роли той или иной молекулы в процессах жизнедеятельности необходимо знать все особенности ее строения. Устойчивость молекул обусловлена ковалентными связями между атомами, ее образующими, Биологическая значимость молекул определяется, в частности, их оптической активность, это относится к молекулам, имеющим хиральные центры. Например, у аминокислот, образующих белки, к одному из атомов углерода присоединены четыре различные группы. В результате у аминокислот появляется такое свойство, как оптическая активность, выполняющая важную функциональную роль. Помимо оптической активности, весьма существенным является способность молекул принимать термодинамически наиболее выгодную конформацию. Химические свойства молекул зависят от того, является ли она плоской или имеет иную, например изогнутую, форму.
Нуклеиноые кислоты - информационные макромолекулы, состоящие из иононуклеотидов. В клетках содержится дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК - самая большая макромолекула В живых системах. Она состоит из многих тысяч пар нуклеотидов, соединениых друг с другом в определенной последовательности. Молекулы РНК по размеру много меньше, чем ДНК, однако их общее количество превышает ДНК. Для нуклеиновых кислот несвойственно многообразие функций, зато хранение и передача генетической информации является основой размножения и функционирования клеток.
Белки обладают множеством функций. Они состоят из аминокислот, соединенных в генетически детерминированной последовательности, которая и определяет как структуру, так и функции данных макромолекул. Таким образом, белки являются тем инструментом, при помощи которого геном управляет всеми реакциями клеточного метаболизма.
Полисахариды - высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных единиц. Отличаются друг от друга структурой моносахаридных звеньев, молекулярной массой, а также гликозидных связей. Благодаря наличию большого числа полярных групп, полисахариды после набухании растворяются в воде и образуют коллоидные растворы. Они присутствуют Почти во всех клеткахи выполняют многообразные функции. Велика их роль в образовании биологических структур. Так, хитин образует панцири членистостоногих, целлюлоза является основной структурой зеленых растений, мукополисахариды - важнейшие компоненты соединительной ткани. Гликоген в животных, а крахмал в растительных организмах являются важнейшими резервными полисахаридами. Их делят на гомо- и гетерополисахариды. Примером гомополисахаридов может служить крахмал, состоящий из остатков только одного типа (глюкозы), а примером гетерополисахаридов - гиалуроновая кислота, которая состоит из остатков глюкуроновой кислоты, чередующихся с N- ацетилтлюкозамином.
Липиды - сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В их состав входят фосфорная кислота, азотистые основания или углеводы. Они играют существенную роль в качестве структурных компонентов клетки, а также как энергетические субстраты Физико-химические свойства липидов зависят от их полярности. Различают полярные и нейтральные липиды. Последние состоят из триацилглицеридов и входя в класс простых липидов. Полярные липиды - многокомпонентные вещества и относятся к сложным липидам.
Структурная организация клетки.
Клетка основной структурный элемент живой материи.
1. Все живые организмы состоят из определенного количества клеток,есть одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы.Одноклеточные: стрептококки, холерные палочки и пр.
Многоклеточные:прокариоты (без ядра),эукариоты (с сформировавшимся ядром)
2. Клетка- наименьшая структурная и функциональная единица живой материи
3. Каждая клетка живого организма выполняет строго определенную функцию
Существует два больших класса клеток, отличающихся по строению и функциям. Наиболее древними и простыми по строению являются прокариотические клетки. Основные свойства, характерные для прокариот, можно рассмотреть на примере бактерий. Это одни из наиболее простых по строению клеток, отличающиеся малыми размерами и примитивным строением. Они не имеют ядра, и их генетический материал не защищен дополнительной внутриклеточной мембраной. Как правило, бактерии получают необходимую энергию из окружающей среды, причем глюкоза является основным ее источником. Разновидностью бактерий являются синезеленые водоросли, или цианобактерии, имеющие фотосистему, подобную растительным клеткам. Цианобактерии способны фиксировать азот, углекислый газ и выделять кислород. Таким образом, их нормальная жизнедеятельность может протекать при наличии только воды и воздуха.
Одной из наиболее изученных прокариотических клеток является кишечная палочка Escherichia coli (Е. coli ), обитающая в желудочно-кишечном тракте многих животных и человека
Как и все прокариоты, Е. coli имеет клеточную стенку, к которой с внутренней стороны примыкает клеточная мембрана,
| " |
Свойства живой материи полезно знать, поскольку это то, что касается каждого из нас. Причем непосредственно. Ведь человек - это и есть живая материя, которая наделена разумом. Впрочем, это неполное определение.
Понятие
Прежде чем начать перечислять свойства живой материи, стоит разобраться со значением термина. Неплохой вариант был предложен Михаилом Владимировичем Волькенштейном - советским биофизиком и химиком. Он говорил, что все живые тела, которые существуют на нашей планете, являются самовоспроизводящимися и саморегулирующимися системами. И их главная составляющая - это нуклеиновые кислоты и белки. Так что не только человек является живой материей. А ещё и птицы, морские обитатели, млекопитающие и т. д. Но человек - это высокоорганизованная живая материя, которую от всего остального отличают особые признаки, свойства. И вот им хотелось бы уделить больше внимания.
Химический состав
Это первая особенность, которую необходимо отметить вниманием. И простейшее формальное свойство, отличающее живую материю от неживой. У них совершенно разный молекулярный состав и структура. Все элементы, входящие в состав живой материи, могут образовывать соединения и вступать в реакции.
Организм человека и животного включает в себя воду, органические и неорганические вещества - кальций, магний, натрий, железо, цинк, водород, углерод, азот, калий, фосфор, селен, хром, кобальт и многое другое в тех или иных количествах. Простейший пример - белки и жиры. Они есть в организме человека, животных и даже растений. И они способны перевариваться, усваиваться, иссякать. Противоположный пример - нефть. Естественно, это неживая материя, представляющая собой коллоидную, а не биологическую систему. И состоит нефть из мицелл - полутвёрдых сгустков высокомолекулярных смол, карбенов и асфальтенов, которые не растворяются в жидких углеводородах.
Обмен веществ и саморегуляция
Это ещё одни специфические свойства живой материи. Обмен веществ, если выражаться простым языком, представляет собой набор химических реакций, которые возникают в организме для поддержания его жизни. А саморегуляция - это способность сохранять свою стабильность на том или ином уровне, отличающемся постоянством. И человек наиболее ярко проявляет её. Поскольку в случае с личностью саморегуляция осуществляется не только на биологическом уровне, но ещё на социологическом и психологическом.
И это всё естественно. Человек способен управлять своим психическим состоянием, воздействовать на себя при помощи слов и мысленных образов. Отдельно имеет место быть эмоциональная саморегуляция. Это способность человека реагировать на произошедшее так, как принято в социуме, сохраняя некую «гибкость». То есть он может допустить проявление спонтанных эмоций, но также у него получается скрывать их. Это уже нечто высшее, что является контролем собственных чувств.
Теоретический пример. Человеку, когда он ехал в автобусе домой, пришло СМС о том, что он выиграл в лотерею миллион рублей. Если он сохранил нейтральность и, только придя в квартиру, начал прыгать от радости и восторженно благодарить судьбу, можно говорить о том, что он владеет эмоциональной саморегуляцией.
Развитие и рост
Нельзя не отметить и эти свойства живой материи. В такой науке, как биология, ростом называется увеличение массы организма, которое происходит по причине увеличения неклеточных образований и размеров клеток. А развитие непосредственно связано с данным процессом. Порой даже два этих понятия употребляются, отождествляясь. Что логично, ведь те или иные стадии развития могут наступить лишь после того, как организм достигнет определённых размеров. При этом ничто из перечисленного невозможно без обмена веществ.
Изменчивость
Это то, чем сопровождается развитие и рост. Важно учитывать данный факт. Потому как расти может не только человек, растение или животное, но и сугроб или кристалл, например. А вот изменяться может лишь живая материя. Собственно говоря, этим и характеризуется эволюция. Вспомнить хотя бы ту же теорию Дарвина - яркий пример. Рост без изменений не является возможным, поскольку организм, развиваясь, приспосабливается к окружающей среде. Которая тоже меняется.
Этот же процесс включает в себя и способность каждой живой материи реагировать на окружающую среду. А также проявление жизненной деятельности всех биологических систем. Раздражимость является основным свойством любого живого организма, будь то травинка или человек. Минимальную величину раздражителя, кстати, принято называть порогом восприятия. И кстати, проявление этого свойство у многих организмов имеет кое-что общее. Например, цветок всегда «поворачивается» к солнцу. Человек, если ему холодно на улице, тоже постарается найти менее затененное место. И таких примеров - масса.
Размножение
Стоит отметить вниманием и данный фактор, рассказывая про основные свойства живой материи. Способность к самовоспроизведению (размножению) обеспечивает тому или иному виду относительное бессмертие. И сложно опровергнуть данное утверждение, поскольку мы - явный тому пример. Сейчас на Земле проживает около 7.3 млрд человек. А ведь ещё в октябре 1999-го было 6 миллиардов. За 17 лет население возросло на миллиард! Так что вид Homo sapiens будет существовать очень долго (если не вечно).
Правда, есть виды, которые уже вымерли, к превеликому сожалению. Например, квагга. Это которое считалось видом зебр. Квагги были приручены человеком и использовались для охраны стад. Последний представитель умер в 1883 году в Амстердамском зоопарке. Сегодня многие животные находятся на грани вымирания, и чтобы их исчезновения не произошло, они должны активно самовоспроизводиться, то есть осуществлять одну из функций живой материи.
О наследственности
Рассказывая про основные свойства живой материи, нельзя не отметить вниманием и этот аспект. То, каким будет организм, зависит от наследственности. А часть «заложена» в нём непосредственно. Простой пример - цвет глаз. Если у мужчины радужная оболочка голубая, как и у его жены, вероятность того, что у пары родится кареглазый малыш, стремится к нулю. У зелёного больше «шансов» - 1 %. Все остальные проценты отходят голубому цвету. Но, кстати, если оба родителя кареглазы, то вероятность распределяется иначе. 75 % - что у ребёнка будет такой же цвет. Но есть вероятность в 18.75 % появления на свет младенца с зелёными глазами. У голубого меньше всего шансов - 6.25 %. Впрочем, это другая тема, но принцип понятен. Наследственность - то, что входит в важнейшие свойства живой материи.
Об уровнях
Итак, исходя из всего вышеперечисленного можно понять, что представляет собой биологическая природа. Это сложно организованная система. И в ней есть Таблица состоит из нескольких пунктов-характеристик.
Итак, первое. Молекулярный уровень. Это то, о чём говорилось изначально. То есть проявление взаимодействия микромолекул, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты и т. д.
Второй уровень - клеточный. Как и любая форма жизни. Ведь клетка является не просто структурной, но и функциональной единицей размножения организмов.
Следующий уровень, на котором мы остановимся, - организменный. Ему предшествуют тканевый и органный. Тут принцип понятен. Организм - это живая система, состоящая из того или иного количества клеток. Взять, к примеру, планктон. Это одноклеточная водоросль. Но живой организм. Человек состоит примерно из 100 триллионов клеток. И он - тоже живой организм. Суть одна, состав разный. Это и доказывают
Таблица также содержит и другие понятия. Есть ещё популяционно-видовой уровень. В него входят совокупности особей, которые имеют единое происхождение и схожи по своей структуре и функциональной организации.
Последние уровни - биогеоценотический и биосферный. Они самые масштабные. К биогеоценотическому относятся организмы различной сложности и сфер обитания. А к биосферному - все совокупности и проявления жизни, существующие на нашей планете.
Психика
Это свойство высокоорганизованной живой материи. Данный аспект уже был оговорен ранее. Но теперь стоит уделить ему чуть больше внимания.
Почему психика свойственна лишь людям и животным? Потому что она подразумевает переживание ими эмоций и ощущений, а также наличие памяти и восприятия. Конечно, может, братья наши меньшие и не способны размышлять о смысле бытия, существовании Бога и предназначении нашей планеты. Но они ощущают боль, страх, спокойствие, усталость и многое другое - как и мы. То есть у них тоже получается отражать объективную реальность, взаимодействовать с ней.
Это свойство живой высокоорганизованной материи также включает в себя пресловутую раздражимость, чувствительность, поведение и сознание. И если первые три качества присущи как человеку, так и животному, то последним обладаем лишь мы. Во всяком случае, обратное пока что не доказано. Сознание представляет собой совокупность тех или иных образов (устойчивых или меняющихся), формирующихся в процессе жизни. Которые, собственно говоря, и образуют индивидуальное мировосприятие.
Дискретность
Или, говоря иными словами, то, что противопоставляется непрерывности и целостности. Дискретность является всеобщим свойством материи. И любой она присуща. Поскольку абсолютно всё (будь то организм, популяция или даже клетка) состоит из множества частиц. Они раздельные, но между собой постоянно взаимодействуют. И образуют, таким образом, единую, целостную систему.
Понятие дискретности легко пояснить на примере того же человеческого тела. Оно состоит из множества органов, тканей, сухожилий, клеток, сосудов. Которые в совокупности и образуют наш организм. Без чего-то одного он не может полноценно существовать.
Негэнтропия
Данный аспект также включен в свойства живой материи. Кратко говоря, это то же самое, что и упорядоченность. Без которой не может существовать дискретности (если говорить о биологии). Здесь всё просто. Все живые системы создают порядок и образуют структуру. Опять-таки, яркий пример - наше кровообращение. Которое, к слову, обеспечивает пресловутый обмен веществ. Кровообращение - сложнейший процесс, происходящий по сердечно-сосудистой замкнутой системе. И этот процесс расписывается специалистами на несколько страниц. Он происходит постоянно, каждую секунду - человек (или любое другое создание) даже не задумывается об этом. Всё потому, что наш организм - живая система, которая образовала данную структуру, комплекс сложных процессов.
Мобильность
Это последнее, что хотелось бы отметить вниманием, рассказывая про основные фундаментальные свойства живой материи. Мобильность характерна для каждого существа. Она подразумевает способность передвигаться, которая необходима каждому. Тому же цветку - чтобы повернуться к солнцу. Благодаря мобильности каждое живое создание может найти себе пищу, выйти из неблагоприятно сложившейся ситуации, эволюционировать или найти пару для размножения (будь то львы, люди или птицы). Нельзя недооценивать двигательную функцию. Ведь она нужна не только организму в целом, но и его частям. Что и говорить, если даже наши органы и клетки проявляют определенную активность: кровь циркулирует, сердце бьётся, легкие сокращаются. И пресловутый планктон передвигается за счет крошечных жгутиков. Недаром ведь говорят, что движение - это жизнь. Данное утверждение верно, поскольку всё существующее на свете и называющееся живым находится в постоянном движении. Если задуматься, то можно понять: это действительно так.
Что ж, изучив, какие свойства присущи живой материи, можно сделать однозначный вывод. Всё перечисленное выше - связано тесным образом. Поскольку касается проявления и поддержания жизнедеятельности организма. Одно невозможно без другого. И лишь задумавшись над этой темой и соотнеся всё с реальными примерами, можно понять, насколько всё тщательно продумано природой.
