Упрощенная схема организации живой материи

В основе современной биологии лежат следующие представления о живой материи:

– все организмы состоят из клеток;

– химические реакции, происходящие в организмах, локализованы внутри клеток;

– все клетки ведут начало от других клеток;

– клетки содержат информацию, которая определяет идущие в них процессы и передается следующему поколению.

Клетка – это совокупность достаточно крупных органических молекул – биополимеров., которые тесно взаимосвязаны друг с другом и не могут существовать вне клетки продолжительное время. По образному определению Г.А.Заварзина клетка представляет кастрюлю, внутри которой идут химическим процессы с участием биополимеров. Отсюда жизнь является новым свойством системы, которое проявилось после образования клетки.

Основные признаки, отличающие живой организм от косного вещества, таковы.

1. Постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой.

2. Способность к воспроизведению.

3. Возможность эволюции в сообществе таких же объектов.

4. Перечисленные выше три условия должны выполняться одновременно. Любое из них в отдельности не делает объект живым.

Перечисленные признаки встречаются и в неживой природе. Примером являются кристаллов. Во-первых, в ходе их роста происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой. Во-вторых, все кристаллы имеют одинаковую форму. Отличаются только их размеры., но их форма и химический состав остаются постоянными.

Определения основных признаков живых организмов могут отличаться у разных авторов, отражая круг их профессиональных интересов. Например, к основным свойствам живых организмовВернадский относил:

– устойчивость химических соединений, слагающих организм, только при его жизни;

– возможность самостоятельно перемещаться (против сил гравитации);

– способность адаптации к различным условиям и быстро осваивать новое пространство.

– высокую скорость обновления живого вещества, (на суше она составляет – 14 лет, в океанах – 33 дня).

В построении клетки, многоклеточных организмов и экосистем лежит единый принцип. Он на техническом языке называется модульным. Схематично модульную структуру биосистем можно представить так. Из молекул строятся более крупные структуры – макромолекулы, которые в дальнейшем образуются биополимеры. Они, в свою очередь, формируют клетки, которые сами могут являться основой многоклеточных организмов. Сообщества организмов одного вида образуют популяции. Популяции разных видов формируют экосистемы. Наконец, глобальная экосистема планеты – биосфера состоит из многих экосистем. Иерархические уровни организации живой материи показаны на рис. 4.

Рис. 4. Иерархические уровни организации живой материи

Молекулярный уровень. В основе строения биополимеров лежит ограниченное число более простых мономеров: 21 тип аминокислот, 5 типов азотистых оснований, моносахариды – рибоза или дезоксирибоза, остаток фосфорной кислоты, глюкоза и липиды. Эти мономеры являются кирпичиками, из которых построено все многообразие биополимеров. Для простоты картины здесь не рассматривается роль ферментов и других веществ, участвующих в процессах, происходящих в клетке.

Особенности структуры мономеров состоит в том, что они могут присоединяться друг к другу, образуя сложные молекулы. Обычно мономер представляет химическое соединение, у которого с одной стороны наружу выступает ион водорода (Н⁺), с другой – гидроксила (ОН^‑). Ион (Н⁺) одного мономера может соединяться ионом (ОН^‑) другого мономера, образуя цепочки, которые формируют макромолекулы клетки.

Построение таких структур хорошо видно на примере нуклеотидов, из которых строятся биополимеры ДНК и РНК. Нуклеотид образуется цепочка, которая включает три звена: одно из пяти азотистых оснований (это может быть аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U)), моносахарида (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты (рис. 5).

Рис. 5. Строение нуклеотида

Клетка.Простейший организм представляет клетку, образованную биополимерами: РНК, ДНК, белки, липиды, АТФ и АДФ.

Биополимер РНК (рибонуклеиновая кислота) играет, в основном, роль матрицы для синтеза белков. Она состоит из цепочки нуклеотидов, соединенных в определенной последовательности. Нуклеотиды РНК включают сахар – рибоза. Азотистые основания могут быть: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и урацил (U). В скобках даны обозначения азотистых оснований.

В клетке находятся молекулы РНК трех классов: матричные, транспортные и рибосомные. Они играют ключевую роль в сборке молекулы белка, кодируемого геном.

Матричными, или информационными РНК (мРНК или иРНК) намного короче, чем вся ДНК в хромосоме и могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки. Так мРНК переносят информацию из ядра («руководящего центра») в «тело» клетки.

Рибосомные РНК (рРНК) и транспортные РНК (тРНК) находятся в «теле» клетки. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома.

Транспортные РНК устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой – участок для присоединения аминокислоты. Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными основаниями молекулы мРНК. (Существует 64 молекулы тРНК — четыре в третьей степени – и каждая из них может присоединиться только к одному триплету свободных оснований на мРНК.) Таким образом, процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле мРНК. В конце концов, все молекулы тРНК присоединятся к мРНК, и по другую сторону тРНК выстроится цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка молекулы белка.

Биополимер ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) сохраняет и передает по наследству информацию о строении, развитии и индивидуальных признаках организма.

Биополимер образуют две цепочки нуклеотидов, соединенных в виде спирали. Нуклеотиды ДНК включают сахар — дезоксирибоза и азотистые основания: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C).

Вертикальные стойки лестницы состоят из молекул сахара и фосфора. Информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи – законченные ступеньки – лишь определенного типа: между А и Т и между G и C. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо G—C. Считывая ступеньки по одной цепи молекулы ДНК, вы получите сообщение, написанное с помощью алфавита всего из четырех букв: А, Т, G и C. Это сообщение определяет химические превращения, происходящие в клетке. На другой цепи спирали новой информации не содержится, т.к. основанию, которое находится на одной цепи, должно соответствовать определенная вторая половина ступеньки. Т.е. цепи двойной спирали относятся друг другу так же, как фотография и негатив.

Специфичная парность азотистых оснований непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала. Когда клетка приступает к делению и необходима ДНК для дочерних клеток, ферменты «расстегивают» ДНК, как застежку-«молнию», обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся» основаниям — А к Т, G к C и т. д. В результате разошедшиеся спирали дают две новых ДНК.

Цепочки ДНК и РНК имеют два отличия:

1. нуклеотиды ДНК содержат дезоксирибозу, РНК – рибозу;

2. в ДНК входит тимин, а РНК его заменяет сходный по строению урацил.

Три общих для РНК и ДНК основания (А, Т и C) представляют код аминокислоты а тимин или урацил – признак окончания кода.Чтобы получить матрицу для синтеза белка (биополимер мРНК), необходимо скопировать часть цепочки ДНК, выполняя при этом замену основания Т на U.

Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы, закрученной в спираль. Вертикальные стойки лестницы состоят из молекул моносахарида и остатка фосфорной кислоты. Вся информация записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы – азотистые основания. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи – законченные ступеньки – лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями П и С. Других типов связи в молекуле ДНК быть не может. Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Они определяют поток аминокислот, из которых будет построен белок. В свою очередь, тип белка устанавливает то, какая химическая реакция должна происходить в клетке.

Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Сегодня известно, что три пары оснований (аденин, гуанин и цитозин) молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке.

Точно так же, как считывается информация с жесткого диска, информация, хранящаяся в ДНК, должна транслироваться и определять в химические процессы в клетке. Основная роль в этом принадлежит РНК. Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные клеточные молекулы «расплетают» участок ДНК, содержащий этот ген. Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК. В этом случае, так же как и в молекуле ДНК, могут образоваться лишь определенные связи. Например, с цитозином (С) молекулы ДНК может связаться только гуанин (G) молекулы РНК. После того как все основания РНК выстроятся вдоль ДНК, специальные ферменты собирают из них полную молекулу РНК. Сообщение, записанное основаниями РНК, так же относится к исходной молекуле ДНК, как негатив к позитиву. В результате этого процесса информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на РНК.

Белки. Все разнообразие белков задается последовательностью соединения аминокислот в цепи РНК. Белки определяют объемную структуру, а также физиологические функции: обмен веществ и энергетические превращения.

Углеводы являются источником химической энергии. Важнейшим углеводом является глюкоза (С₆Н₁₂О₆). Она конечный продукт фотосинтеза и основа всей пищевой цепи в биосфере. Сложные углеводы представляет сцепленные особым образом молекулы глюкозы. Примером являются растительные волокна.

Липиды– это нерастворимые в воде органические молекулы. Они подобны капельками жира на поверхности бульона. Из липидных структур состоят клеточные мембраны, разделяющие компоненты клетки и отделяющие клетку от окружающей среды.

АТФиАДФ– аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Осуществляют передачу энергии внутри клетки. Обе молекулы устроены так: азотистое основание - аденин присоединено к молекуле рибозы и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. В хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ – три. Таким образом, в основе этих молекул лежит нуклеотид, к которому дополнительно присоединены один или два фосфата.

Передача энергии идет так. Во время фотосинтеза, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ, т.е. образуется АТФ. Молекула АТФ переносится в другие части клетки. Там АТФ превращается в АДФ, освобождая энергию, которая используется в химических процессах.

Многоклеточные организмы состоят из клеток, выполняющих разные функции в частности, у них появляются органы чувств и способность перемещаться. Поэтому многоклеточные, в отличие от одноклеточных организмов, могут адаптироваться к обстановке, изменив свое поведение или положение относительно источника опасности. Это дает им определенные преимущества, но потребление энергии, необходимой для жизнедеятельности,, ограничивая ареал обитания.

Популяция (от фр. population – население) – это сообщество особей одного вида, занимающих определенную территорию и способных поддерживать свою стабильность длительное время в меняющихся условиях среды. Объединение особей в популяцию улучшает устойчивость вида к действию внешних факторов, а самое главное, позволяет адаптироваться к новым условиям путем эволюции. Особи одного вида не изолированы друг от друга. Они образуют популяцию, под которой понимают

Экосистемаобъединяет в функционально единое целое популяции организмов разного вида и среду их обитания. В крупных экосистемах возможен более или менее замкнутый круговорот биогенных веществ, так как в них обязательно присутствуют автотрофы, синтезирующие органическое вещество из неорганического и гетеротрофы, осуществляющий процесс минерализации (превращения) органического вещества в неорганическое. Если процессы синтеза и минерализации сбалансированы, происходит круговорот биогенов и система может существовать продолжительное время, не оказывая влияния на окружающую среду. Нужно подчеркнуть еще одну особенность экосистемы, которая является следствием ее биоразнообразия. Генетические возможности видов, образующих экосистему отличаются, а потому возможна ее эволюция при изменении условий без существенного нарушения круговорота веществ внутри системы.

Биосфера – объединяет все экосистемы планеты. Ее стабильность основана на балансе круговорота вещества. Многообразие, входящих в состав биосферы экосистем, является важным условием высокой степени баланса круговорота и ее устойчивости при постепенном изменении обстановки или катастрофических событиях, таких как падение на Землю крупных метеоритов.

Рассмотрим особенности основных составляющих биосферы: организмов, популяций и экосистем.