1.Предмет общей биологии. Понятие живой материи. Свойства живых систем.

1. Предмет общей биологии. Понятие живой материи. Свойства живых систем.

Биология – комплекс наук, изучающий закономерности развития и жизнедеятельности живых систем, причины их многообразия и приспособленности к окружающей среде, взаимосвязь с другими живыми системами и объектами неживой природы.

Предметом общей биологии являются общие закономерности организации, развития, обмена веществ и передачи наследственной информации, а также разнообразие форм жизни и самих организмов и их связи с окружающей средой.

Живая материя – материя, для которой характерны свойства формирования, развития и взаимодействия живых систем. По другому определению – совокупность всех живых организмов планеты (Вернадский Владимир Иванович, 1916). По третьему определению жизнь – особая форма существования материи в виде систем открытого типа, беспрерывно обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Свойства живых систем:

1. Обмен веществ и энергии

2. Наследственность и изменчивость

3. Дискретность и целостность

4. Онтогенез и филогенез

5. Рост как увеличение линейных размеров, объема и массы

6. Репродукция (размножение)

7. Раздражимость

8. Поддержание гомеостаза

9. Движение (элементарный пример – циркуляция цитоплазмы в клетке)

2. Теории происхождения жизни на Земле

Существует пять основных теорий возникновения жизни на Земле:

1. Креационизм

2. Спонтанное самозарождение

3. Гипотеза стационарного состояния

4. Панспермия

5. Биохимическая эволюция

Рассмотрим каждую подробнее:

Креационизм – согласно этой теории, жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом. Считается, что процесс сотворения произошел однократно и потому недоступен для наблюдения, что сразу выводит концепцию божественного сотворения мира за рамки научного обсуждения, поскольку она не может быть ни доказана, ни опровергнута. Придерживаются ее в основном священники различных религий, сектанты, мошенники и те люди, которых им удалось убедить.

Спонтанное самозарождение – данная теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым и сосуществовала. Этой теории придерживался и Аристотель, обосновывая ее тем, что в неживой материи существуют частицы, содержащие некое «активное начало», из которого при определенных условиях и формируются живые организмы. Например, лягушки и насекомые могут зародиться во влажной почве, а мыши – в оставленной в темном месте ветоши. Аристотель верно полагал, что данное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибался, считая, то оно есть и в солнечном свете, тине, гниющем мясе и т. п. В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подверг сомнению теорию спонтанного зарождения, проведя ряд экспериментов с открытыми и закрытыми сосудами. В результате этих экспериментов он получил данные, подтвердившие его мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни, выведя тем самым концепцию биогенеза и провозгласив принцип «все живое – от живого». Реди установил, то белые черви, появлявшиеся в гниющем мясе в открытом сосуде – личинки мух. Однако, его эксперименты лишь немного отодвинули данную теорию на задний план и не привели к отказу от нее. В 1860году проблемой зарождения жизни занялся Луи Пастер, имевший к тому времени серьезные достижения в области микробиологии. В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного самозарождения жизни. Суть экспериментов была в следующем: в колбочки ученый наливал питательные растворы, кипятил их. Потом нагревал горлышко колбы, оттягивал его в длинную трубку и запаивал кончик. Выйдя во двор, Пастер обламывал запаянный кончик. Воздух врывался в колбу и заносил туда микробы и их споры. После этого Пастер снова запаивал горлышко. Попавшие в колбу микробы размножались. Это видно по образовавшемуся на поверхности бульона мутному облачку. Однако подтверждение теории биогенеза породило другую проблему: если все живое происходит от живого, то откуда взялся самый первый организм? Было ли это первичным самозарождением, актом сотворения или чем-то еще?

Гипотеза стационарного состояния – эта гипотеза гласит, что жизнь существовала всегда и будет существовать всегда. Виды также существовали всегда, и если и изменялись, то очень мало. Сторонники этой гипотезы не признают, что наличие или отсутствие ископаемых останков может указать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера кистеперую рыбу – латимерию. При этом они утверждают, что, только изучая современные организмы и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, и то с высокой вероятностью этот вывод будет неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения гипотезы стационарного состояния, ее сторонники объясняют изменения в составе ископаемых останков экологическими причинами (изменение размеров популяций, миграции в места с подходящими для сохранения останков условиями и т. п. ). Большая часть доводов в пользу этой гипотезы связана с такими неясными аспектами, как наличие разрывов в палеонтологической летописи (которые, тем не менее, постепенно закрываются), и наиболее разработана именно в этом направлении.

Теория панспермии – данная теория лишь предполагает, что жизнь имеет внеземное происхождение. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла появиться где-то не на Земле, возможно, что даже неоднократно, и была на нее занесена тем или иным способом. Для обоснования этой теории используются якобы свидетельства якобы многократного появления НЛО и контактов с ними, наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и скафандры. Это были аргументы конспирологов. Более научными доказательствами данной теории являются факты нахождения в метеоритах и кометах различных органических веществ, а также неподтвержденные свидетельства нахождения в них структур, похожих на микроорганизмы и их окаменелости, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся убедительными.

Биохимическая эволюция, она же – теория абиогенного происхождения жизни. В современном естествознании считается наиболее обоснованной, но при этом имеющей множество расхождений мнений в деталях. Выдвинута в 1923 году А. И. Опариным. Основная идея – зарождение жизни есть длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Выделяют три основных этапа предположительного перехода от неживого к живому:

1. Этап синтеза первичных органических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности Земли

2. Этап формирования в первичных водоемах биополимеров изнакопившихся органических соединений

3. Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур данного состава, завершающееся образованием простейшей клетки

Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего признака прояснения появились только в последние годы. Как известно возраст нашей планеты 4-4, 5 млрд лет. В прошлом состояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: температура на поверхности была очень высокой (4000 – 8000º С), и по мере того, как Земля остывала, углерод и тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору; поверхность планеты была голой и неровной, так как на ней в результате вулканической активности, подвижек и сжатий коры, вызванных охлаждением, происходило образование складок и разрывов. Полагают, что гравитационное поле еще недостаточно плотной планеты не могло удерживать легкие газы: водород, кислород, азот, гелий и аргон, и они уходили из атмосферы. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100°C, вся вода находилась в парообразном состоянии. Примитивная атмосфера Земли была восстановительной, то есть освобождающей кислород из кислородных соединений, о чем свидетельствует наличие в самых древних горнах породах металлов в восстановленной форме (например, двухвалентное железо). Более молодые породы содержат металлы в окисленной форме (Fe3+). Восстановителем был водород – главный элемент Вселенной. По оценкам, в первичной атмосфере Земли парциальное давление водорода составляло 0, 002%. Это достаточно высокое значение. В 1923 г. А. И. Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мнение, что органические вещества, возможно углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Отсутствие кислорода, вероятно, было необходимым условием для возникновения жизни; как показывают лабораторные опыты, органические вещества (основа жизни) гораздо легче образуются в атмосфере бедной кислородом. Современная атмосфера, в отличие от первичной, содержит большое количество кислорода. Он мог возникнуть двумя путями: в результате разложения воды под действием УФ излучения Солнца, либо в результате фотосинтеза зеленых растений. Сегодня принято считать, что атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение (то есть кислород в сегодняшней концентрации появился только после зарождения жизни). Следовательно, растения, жизнь, должны 4 были возникнуть на Земле в восстановительной атмосфере. И это понятно: кислород просто окислял бы те химические соединения, из которых могли бы возникнуть биологические макромолекулы. Дополнительным аргументом в пользу возникновения первичных органических соединений в восстановительной атмосфере служит существование анаэробных бактерий. Органические соединения могли возникнуть в восстановительных условиях при наличии источников энергии, имеющих разную природу. Солнечное излучение, приходящее на поверхность Земли, имело значительную УФ компоненту (поглощаемую сегодня озоновым слоем, возникшим позже вместе с кислородом атмосферы). Это излучение обеспечивает энергией протекание химической реакции и в то же время разрушает сложные органические соединения. Следовательно, накопление таких соединений возможно только в динамике при наличии условий, обеспечивающих защиту от быстрого распада под действием УФ. Отметим, что эти условия создавались в неких особых, случайных точках. Именно поэтому важна не только мощность потока энергии, но и многообразие ее источников. Условия формирования сходных органических соединений крайне далеки от равновесия и порождены случаем. Так, одна из моделей первичного образования органических соединений состоит в следующем. Ранняя Земля была относительно молодым телом с разреженной восстановительной атмосферой, состоящей из смеси метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 10 мм. рт. ст. Температура поверхности не превышала -50°С, то есть литосфера была покрыта слоем льда. Поток солнечного излучения, особенно УФ часть, а также космическое излучение приводили к ионизации атмосферы. И она находилась в состоянии холодной плазмы. В этом состоянии сосуществуют ионизированные атомы, ионы и электроны, однако их энергии достаточно малы. Подобную холодную плазму мы наблюдаем в газоразрядных трубках, лампах дневного света, бактерицидных лампах. Именно этот ионизированный газ и был основным источником энергии для поддержания химической эволюции органического вещества. В ионизированном газе легко возбудить электронные разряды. Опыты показали, что из достаточно простых соединений углерода, кислорода, азота и тому подобное в условиях электрического разряда быстро образуется многообразие сложных органических соединений. Низкая температура поверхности и малая энергия частиц создавали условия для успешного протекания полимеризации ряда образовавшихся соединений. Рост массы этих полимеров приводил к их конденсации и выпадению на ледяной покров. Там они сохранялись до “лучших” времен. Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность. Выделение газов уплотнило атмосферу, ее нижние слои перестали быть доступными для ионизирующего УФ излучения Солнца и высокоэнергетических космических частиц. Началось повышение температуры поверхности и образование первичных водоемов. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался “первичный бульон”, в котором могла возникнуть жизнь. Именно здесь и появились сложные органические соединения – макромолекулы (биополимеры), липиды, углеводы. В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке ему удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, такие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты). Позднее возникло предположение, что в первичной атмосфере в относительно высокой концентрации содержалась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведенные с использованием установки Миллера, в которую поместили смесь CO2 и H2O, и только следовые количества других газов, подтвердили результаты Миллера. Теория Опарина завоевала широкое признание, но она не решает проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория биохимической эволюции представляет общую схему, приемлемую для большинства биологов. Опарин полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфотерности белков они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспензированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией. Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава “бульона” в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и поставляло таким образом сырье для “биохимического естественного отбора”. Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивавшей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонентов среды, так, что этот процесс мог продолжаться. Такая предположительная последовательность событий должна была привести к появлению примитивного самовоспроизводящегося гетеротрофного организма, питавшегося органическими веществами первичного бульона. В описанном сценарии перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам существует много белых пятен. Астроном Фред Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении жизни в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул “столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга–747”. Здесь нет даже намека на то, как возникла способность к самовоспроизведению. Но, несмотря на это, рассмотренная гипотеза остается одним из самых перспективных направлений исследований формирования жизни. В нынешнее время же переход от сложных органических веществ к простым организмам более-менее объясняет работа Джека Шостака и Катаржины Адамалы. Используя жирные кислоты в качестве материала для оболочки и ферменты (а именно РНК-полимеразу) и РНК в качестве содержимого, они смогли сначала создать протоклетку, а затем запустить в ней синтез РНК с помощью ионов магния и солей лимонной кислоты

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: