 |
Уровни организации жизни. Элементарные единицы, элементарные явления и проявление главных свойств жизни на различных уровнях ее организации.
|
|
|
|
Развитие представлений о сущности жизни. Определение жизни с позиции ситемного подхода. Фундаментальный свойства живых систем и атрибуты жизни.
Большой вклад в выяснение сущности жизни сделал Ф. Энгельс, который рассматривал жизнь как особую форму движения материи. "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел" (Анти-Дюринг). "Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой" (Диалектика природы). До настоящего времени нет точного всеобъемлющего определения жизни. Ниже даны определения этого явления, которые подчеркивают те или иные стороны жизни.
А. И. Опарин: "Жизнь — одна из высших форм движения и организации материи".
Б. М. Кедров (философ): "Жизнь есть способ существования биополимеров и прежде всего белков и нуклеиновых кислот".
Вильштеттер (физиолог): "Жизнь — строго упорядоченные взаимодействия ферментных систем".
А. Н. Колмогоров (математик): "Живые системы — это системы, через которые текут непрерывные потоки вещества, энергии, информации и которые способны воспринимать, хранить и перерабатывать информацию".
Л. Полинг (биохимик): "Жизнь - это не свойство какой-либо молекулы, а скорее результат взаимодействия между молекулами".
В. И. Гольданский: "Жизнь есть форма существования биополимерных тел (систем), способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой".
Жизнь настолько сложное явление, что поддается определению лишь в самых общих чертах. Развитие биологии в XX веке позволяет заключить, что жизнь — это совокупность следующих особенностей: структурная организация (органоиды клетки), сочетание потоков материи, энергии и информации, упорядоченность в пространстве (молекулярный, клеточный, тканевой и др. уровни), упорядоченность во времени (очередность протекания этапов обмена веществ).
|
|
|
Гипотеза Гольданского
1.Образование и накопление различных органических биополимеров.
2. Разрушение зеркальной симметрии в "первичном бульоне" и формирование хирально чистой органической среды: сохранение только левовращаюших аминокислот и только правовращающих Сахаров.
3. Образование коротких цепочек РНК и ДНК. Синтез простейших полипептидов. Возникновение простейших полипептидов и биополимерных систем, способных к самовоспроизведению. Возникновение жизни.
Основные свойства жизни
1. Способность к самовоспроизведению.
2. Способность к образованию ограниченного пространства.
3. Способность к синтезу длинных гетерополимеров путем матричного синтеза.
4. Наличие биологической — генетической — информации в виде нуклеиновых кислот.
5. Обмен веществ.
6. Дискретность.
7. Рост.
8. Развитие.
9. Гомеостаз.
10. Раздражимость.
11. Движение.
12. Хиральность.
13. Конвариантная редупликация.
Жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования[1][2][3]; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление. Основной атрибут живой материи — генетическая информация, используемая для репликации. Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от нежизни. Вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку[ источник не указан 215 дней ]. Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов.
|
|
|
Свойства
Что такое жизнь? Одно из определений более 100 лет назад дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел» В это определение вошли два важных положения: 1) жизнь тесно связана с белками и 2) непременное условие жизни - постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается и жизнь. Изучение свойств объектов живой природы показало, что жизнь связана со сложным коллоидным состоянием протопласта (содержимого клетки), для которого характерны обмен веществ и энергии, обусловленные реализацией наследственной информации, заключенной в нуклеиновых кислотах. Живые системы от клетки до биосферы в целом представляют собой системы, ассимилирующие энергию из внешней среды таким образом, что могут активно противостоять разрушению сложившейся организованности, т.е. противостоять процессу, характерному для всех тел неорганической природы. По современным представлениям, жизнь - это способ существования открытых коллоидных систем, обладающих свойствами саморегуляции, воспроизведения и развития на основе геохимического взаимодействия белков, нуклеиновых кислот других соединений вследствие преобразования веществ и энергии из внешней среды. Живые системы обладают рядом общих свойств и признаками, которые отличают их от неживой природы.
Определенный состав и упорядоченность 1. Все биосистемы характеризуются высокой упорядоченностью, которая может поддерживаться только благодаря протекающим в них процессам. В состав всех биосистем, лежащих выше молекулярного уровня, входят определенные органические вещества, некоторые неорганические соединения, а также большое количество воды. Упорядоченность клетки проявляется в том, что для нее характерен определенный набор клеточных компонентов, а упорядоченность биогеоценоза - в том, что в его состав входят определенные функциональные группы организмов и связанная с ними неживая среда.
|
|
|
2. Клеточное строение: Все живые организмы имеют клеточное строение, за исключением вирусов. Это единица строения всех живых организмов. На клеточном уровне осуществляется превращение веществ и энергии и передача информации.
3. Метаболизм. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. Смысл биотических круговоротов заключается в преобразовании молекул, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма и, таким образом, непрерывность его функционирования в постоянно меняющихся условиях внешней среды (поддержание гомеостаза)[1].
4. Питание - процессы, включающие поступление в организм питательных веществ, их переваривание, всасывание и усвоение. В результате живые организмы получают химические соединения, которые необходимы для жизнедеятельности, роста и размножения. В процессе питания животные используют солнечную энергию, накопленную растениями.
5. Дыхание - одна из главных функций организма. Включает процессы поступления кислорода в организм, использование его в химических реакциях (окислительно-восстановительных), удаление углекислого газа и некоторых других соединений, конечных продуктов метаболизма из организма. Потребляемый кислород участвует в процессе расщепления органических веществ, в результате которого происходит выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности.
6. Репродукция, или самовоспроизведение, - способность живых систем воспроизводить себе подобных. Этот процесс осуществляется на всех уровнях организации живого; а) редупликация ДНК - на молекулярном уровне; б) удвоение пластид, центриолей, митохондрий в клетке - на субклеточном уровне; в) деление клетки путем митоза - на клеточном уровне; г) поддержание постоянства клеточного состава за счет размножения отдельных клеток - на тканевом уровне; д) на организменном уровне репродукция проявляется в виде бесполого размножения особей (увеличение численности потомства и преемственность поколений осуществляется за счет митотического деления соматических клеток) или полового (увеличение численности потомства и преемственность поколений обеспечиваются половыми клетками - гаметами).
|
|
|
7. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение.[2].
8. Изменчивость - это способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения биологических матриц - молекул ДНК.
9. Рост и развитие. Рост - процесс, в результате которого происходит изменение размеров организма (за счет роста и деления клеток). Развитие - процесс, в результате которого происходит качественно изменение организма. Под развитием живой природы - эволюции понимают необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы, которое сопровождается приобретением адаптации (приспособлений), возникновением новых видов и вымиранием прежде существовавших форм. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.
10. Приспособленность. Это соответствие между особенностями биосистем и свойствами среды, с которой они взаимодействуют. Приспособленность не может быть достигнута раз и навсегда, так как среда непрерывно меняется (в том числе благодаря воздействию биосистем и их эволюции). Поэтому все живые системы способны отвечать на изменения среды и вырабатывать приспособления ко многим из них Результатом способности живых систем вырабатывать приспособления является поражающее воображение совершенство и целесообразность живых организмов и жизни в целом. Долгосрочные приспособления биосистем осуществляются благодаря их эволюции. Краткосрочные приспособления клеток и организмов обеспечиваются благодаря их раздражимости.
11. Раздражимост ь. Способность живых организмов избирательно реагировать на внешние или внутренние воздействия. Определенным образом отвечают на изменения и биосистемы всех других уровней, что позволяет говорить, что они находятся в состоянии обмена информацией со средой. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом. Организмы, которые не имеют нервной системы, лишены и рефлексов. У таких организмов реакция на раздражение осуществляется в разных формах: а) таксисы - это направленные движения организма в сторону раздражителя (положительный таксис) или от него (отрицательный). Например, фототаксис - это движение в направлении к свету. Различают также хемотаксис, термотаксис и др.; б) тропизмы - направленный рост частей растительного организма по отношению к раздражителю (геотропизм - рост корневой системы растения по направлению к центру планеты; гелиотропизм - рост побеговой системы по направлению к Солнцу, против силы тяжести); в) настии - движения частей растение по отношению к раздражителю (движение листьев в течение светового дня в зависимости от положения Солнца на небосводе или, например, раскрытие и закрытие венчика цветка). 12. Дискретность (деление на части). Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз др.) состоит из отдельных изолированных, т. е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Клетки состоят из отдельных органоидов, ткани - из клеток, органы - из тканей и т. п. Это свойство позволяет осуществить замену части без остановки функционирования целостной системы и возможность специализации различных частей на неодинаковых функциях. 13. Целостность (интегрированность) - необходимое условие для рассмотрения того или иного объекта как системы. Это результат взаимосвязи и взаимозависимости частей биосистем, основа возникновения у системы эмергентных свойств. Системы разных уровней отличаются по степени взаимозависимости своих частей. Так, клетка и организм - относительно более целостные биосистемы, чем биогеоценоз. Это проявляется в том, то состав частей клетки и организма менее изменчив, чем состав биогеоценоза. На биогеоценотическом и биосферном уровне в состав биосистем входят как живые, так и неживые компоненты (причем, неживые компоненты, например отмершие ткани, могут вновь интегрироваться в состав организмов, а также биосистем других уровней).
|
|
|
14. Авторегуляция - способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов - гомеостаз. Саморегуляция обеспечивается деятельностью регуляторных систем - нервной, эндокринной, иммунной и др. В биологических системах надорганизменного уровня саморегуляция осуществляется на основе межорганизменных и межпопуляционных отношений.
15. Ритмичность. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, т. е. на приспособление к периодически меняющимся условиям существования.
16. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. Под «открытыми» системами понимают динамические, т. е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия в виде пищи из окружающей среды.
Атрибуты
Попробуем обосновать непременные атрибуты жизни, которые можно вывести как следствие из только что сформулированных базовых свойств жизни.
1. Более-менее стабильные динамические системы могут существовать только при условии цикличности протекающих в них процессов. Какими бы долгоживущими нам ни казались реки, они как динамические системы, длительно существуют лишь благодаря круговороту воду. Геологи могут привести примеры геохимических циклов. Аналогичная ситуация наблюдается и в живых клетках. В современных ораганизмах ВСЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОРГАНИЗОВАНЫ В ЦИКЛЫ. Сами циклы объединяются в циклы более высоких порядков – каталитические циклы и гиперциклы (гиперциклом называется цикл третьего или большего порядка). Образно можно сказать, что вращается БИОХИМИЧЕСКИЙ РОТОР, словно движение шестерёнок в часах.
2. Принцип стабильности структур, являющихся носителями информации и её непосредственной реализации. Рассмотрим частный возможный случай таких возможных структур, которые были реализованы природой на Земле - макромолекулы. Чисто информационной молекулой является ДНК, чисто функциональной - белок. Молекула РНК является одновременно и информационной (может передавать наследственную информацию), и функциональной.
Чтобы структура несла информацию, она должна быть стабильной. Это значит, что такая структура не может "дышать", а изменять свою конформацию, лишь в определённом ограниченном пределе. Информационная структура ведет себя именно как кристалл при изменении внешних условий (например, при повышении температуры), — то есть он "терпит" до каких-то пор, а потом разом плавится, — а не теряет своей формы и твердости постепенно, как стекло. Другими словами, кодирующие молекулы представлена веществом кристаллической, а не аморфной природы, то есть существуют по принципу "всё или ничего", без промежуточных состояний. Такой кристалл должен состоять из исходно небольшого числа строительных структур (мономеров). Чем такой кристалл должен отличаться от, скажем, кристалла поваренной соли? Он должен содержать большой объём информации и он должен быть способным к выполнению разнообразных функций. Это возможно лишь при условии, что этот кристалл будет АПЕРИОДИЧЕСКИМ. Получается, что апериодические кристаллы в живых системах должны обладать двумя свойствами: 1) быть носителями информации, 2) При исходно ограниченном количестве исходных строительных элементов быть способными к выполнению очень большого разнообразия функций. Чисто информационной молекулой является ДНК, чисто функциональной - белок. Молекула РНК является одновременно и информационной (может передавать наследственную информацию), и функциональной.
4. В достаточно малом масштабе времени живые системы проявляют свойство гомеостаза, которое проявляется в том, что процессы в живых системах происходят таким образом, что поддерживается внутренняя структура этих систем в определённом постоянстве. Компоненты молекулярных систем в живых организмах подвергаются непрерывному необратимому превращению. Прямые и обратные реакции, как правило, не уравновешиваются. Суммарный поток вещества и концентрации промежуточных веществ остаются в среднем неизменными. Таким образом, можно говорить, что живые системы являются стационарными в рамках относительно небольшого промежутка времени.
5. Принцип отбраковки геномов (под геномом в данном случае условно подразумевается любая передающаяся по наследству информация).
«Размножение организмов позволяет им избежать неизбежного, казалось бы, распада и сохраниться во времени, несмотря на свою сложность, на температуру, превышающую 300° и агрессивную окружающую среду, причем организмы не находятся в состоянии консервации, а активно живут в этих условиях. Главный секрет этого термодинамического чуда в самом размножении, то есть в получении тысяч, миллионов, миллиардов копий генетической информации». Виктор Прохорович Щербаков (2005а).
Уровни организации жизни. Элементарные единицы, элементарные явления и проявление главных свойств жизни на различных уровнях ее организации.
|
|
|
