Предмет и задачи биологии.

К концу двадцатого столетия во многих областях биологии достигнуты значительные успехи.

Информационный “взрыв”, новые открытия делают трудной задачу освоения основных концепций в биологии, причем новые концепции в биологии могут быть оценены и поняты только на фоне более “классических”, сложившихся исторически на основе знаний, накопленных человечеством за долгие годы его существования.

Органический мир не остается неизменным. Со времени появления жизни на Земле он непрерывно развивается в силу естественных причин: появляются все новые сведения, требующие систематизации и понимания причин развития связей между многими биологическими процессами, их реализации на организменном и надорганизменном уровнях.

Все объекты и процессы, изучаемые биологией, объединяет одно общее свойство - жизнь. Со времен Аристотеля человека интересуют вопросы: что такое жизнь? Чем живое отличается от неживого? Каковы наиболее общие свойства, присущие всем живым организмам? В течение долгого времени ученые не могли разрешить “загадку жизни” и видели ее качественное своеобразие в наличии в организмах“жизненной силы” (vis vitalis) - особого начала, имеющего нематериальную природу.

Название науки «биология» было предложено в 1802 г. немецким ботаником Л.Х.Тревиранусом (1779 -1864 гг.), но определение биологии, как самостоятельной дисциплины, было дано только в 1809 году крупнейшим французским ученым Ж.Б.Ламарком. Первыми сложились науки о животных (зоология) и растениях (ботаника), основы медицины - анатомия, затем - физиология. Другие крупные дисциплины, например, гидробиология (наука о сообществах водных организмов), микробиология (наука о микробах - мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах) и др. появились значительно позже. В настоящее время, кроме перечисленных, биология включает биохимию, цитологию, гистологию, генетику, селекцию, микологию, фармакологию, молекулярную биологию. И этот далеко не полный перечень показывает, как сложна и велика современная биология.

Биология тесно связана с химией, физикой и другими науками, изучающими закономерности неживой природы. Современная биология рассматривает организм в единстве со средой существования и с условиями жизни, во взаимоотношении с другими организмами, с которыми он прямо или косвенно связан.

Необычайно высокие темпы развития биологии в последние десятилетия сопровождаются быстровозрастающим ее значением в жизни человека. Биология остается не только теоретической основой здравоохранения и сельского хозяйства, но и открывает возможности развития новых отраслей промышленности и новые перспективы в технике и технологии (бионика, биотехнология).

Инженеры, конструкторы, судостроители, архитекторы и другие ученые в исследованиях биологов ищут новые принципы и подходы к созданию механизмов, приборов и конструкций. Быстрое развитие техники сопровождается изменением окружающей среды, поэтому так необходимо изучение биосферы, структуры Земли и процесса круговорота веществ.

Все основные явления жизни происходят на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, популяционно-видовом, биогеоценотическом уровнях организации живой природы. Перечисленные уровни отражают общую структуру эволюционного процесса, закономерным результатом которого является человек. Для поддержания жизни человеческого организма ему необходимо питание. Питание – это сложный биологический процесс, поддерживающий структурообразование организма и выполнение различных функций.

Основная задача специалистов – технологов молочной промышленности не только научиться изготавливать продукты из молока, но знать всю цепочку биологических превращений в кругообороте (например, синтеза аминокислот в растениях, питании животных, получении молока, изготовлении и употреблении молочных продуктов, расщеплении их до усвояемых форм и т.д.). При этом необходимо изучить особенности пищеварительной системы человека и коровы, питательность, усвояемость и безопасность пищи, действие внешних факторов на молочные продукты, являющиеся биологическими системами.

Общая биология изучает организмы с точки зрения их индивидуального и исторического развития. Индивидуальное развитие организма (или онтогенез) включает в себя исследование зарождения организма, его развитие и основные жизненные процессы. Биология стремится вскрыть закономерности, обуславливающие последовательность отдельных этапов и стадий индивидуального развития организма. Историческое развитие организма (или филогенез) также включает обширный круг проблем. Изучение прошлого и настоящего Земли дает нам представление о развитии и изменении организмов, об их эволюции. Биология изучает закономерности этого процесса, изучает факторы и направление эволюции; исследует наследственность организмов с изменением условий окружающей среды.

В основе строения и развития почти всех организмов лежит биологическая структурная единица – клетка. Каждый организм тесно связан с окружающей средой, между ними осуществляется непрерывный обмен веществ и энергии.

Задачей молекулярной биологии является изучение основных жизненных явлений на уровне молекул, слагающих клетку: обмен веществ, наследственность, раздражимость. Молекулярная биология раскрывает широкие перспективы в области управления человеком жизненными процессами.

Генетика, достигшая больших успехов в XX столетии, изучает изменчивость и наследственность организмов и широко использует методы молекулярной биологии.

Генетика служит основой для селекции. Современная молекулярная генетика позволяет направленно изменять наследственную природу организма и придавать ему наследственные свойства, которыми организм не обладал (генная инженерия). Перед генетикой открываются широкие перспективы по изменению на пользу человека наследственной природы различных организмов – микроорганизмов, растений, животных, используемых в медицине и народном хозяйстве.

В природе организмы входят в состав определенных комплексов – биогеоценозов, состоящих из определенных растений, животных, микроорганизмов. Биосфера Земли играет важную роль в формировании ее поверхности, образовании горных пород, атмосферы и гидросферы. Наличие в воздушной оболочке Земли свободного кислорода связано с жизнедеятельностью зеленых растений, выделяющих его в процессе фотосинтеза. Кислород обеспечивает существование современных животных и растений.

Знание биологических законов помогает человеку в управлении живой природой, использованию естественных богатств – лесов, лугов, рек, изготовлении продуктов питания с регулируемыми микробиологическими процессами, в борьбе с наследственными и инфекционными заболеваниями и т.д.

В христианском мире к регулированию народонаселения обращались неоднократно. Особенно интерес к регулированию народонаселения обострился, когда в 1798 г. англичанин Томас Мальтус (1766 – 1834) представил новый подход к пониманию природы популяций людей. Задавшись целью выяснить, всегда ли подвержены люди бедности, голоду, болезням и войнам и может ли человек улучшить свою жизнь, Т. Мальтус сформулировал представления о факторах (силах), которые регулируют размеры популяции людей, причем его представления основывались на признаниях двух важнейших допущений, а именно: человеку для существования необходима пища, с одной стороны, человек будет репродуцировать себя непрерывно, с другой. Руководствуясь этими допущениями, Т. Мальтус предположил, что репродукция популяции человека идет в геометрической прогрессии, тогда как количество пищи производится популяцией в арифметической прогрессии .

В результате этого размеры популяции неизбежно оказываются ограниченными количеством пищи, т. е. из-за недостатка пищи размеры популяции не могут увеличиваться далее геометрически.

В начале нашего века И. И. Мечников также пришел к заключению, что превышение потребностей организмов над средствами к их удовлетворению составляет основной разлад в природе, который все же может гармонизироваться либо приспособлением организмов к новым условиям, либо уменьшением их плодовитости. Однако в случае человека эта гармонизация может достигаться сознательно либо путем увеличения средств к существованию, либо ограничением рождаемости.

Как писал И. И. Мечников в 1907 г. «...по законам природы человек в состоянии очень сильно размножаться, однако идеал его благоденствия требует ограничения плодовитости».

В настоящее время достигнута ясность, что рост мирового народонаселения в современных масштабах, действительно, вызовет трудности в обеспечении людей продовольствием и доброкачественной водой.

Важнейшая причина здесь заключается в том, что жизненное пространство (размеры Земли) никогда не увеличится, а рост производительности сельского хозяйства неизбежно будет остановлен на определенном уровне, поскольку конечная урожайность сортов растений и продуктивность пород животных, которая может быть достигнута в обозримом будущем, неизбежно будет ограничена их нормой реакции.

ТЕМА: общая характеристика живого

1. Элементарная биологическая система – клетка живого организма.Клеточная теория строения организмов.

Существуют различные точки зрения на проблему происхождения жизни, мы вынуждены признать, что не можем дать точного определения, что же такое жизньи не можем сказать, как и когда она возникла

Мы окружены системами, более того мы сами – система, и состоим мы из множества систем. Система – это совокупность взаимосвязанных, расположенных в определенном порядке частей какого-либо единого целостного образования или совокупность принципов какой-либо теории.

Различают системы живые и. неживые. Неживыми системами пользуются в математике – системы аксиом и определений, системы счислений, существуют системы информации и т.д.

Живые системы являются категориями биологическими.

Чем отличаются живые системы от неживых систем?

Важнейшая особенность живых систем заключается в том, что их существование невозможно без притока в них энергии, обмена веществ и обмена информацией. Они как бы взаимодействуют со средой и по этой причине являются открытыми системами.

Для живых систем характерна способность к самовоспроизводству, саморегуляции и самовосстановлению, для этого они обладают способностью к восстановлению повреждений собственного генетического материала – зто основные свойства живых систем.

Элементарной биологической системой является клетка. Немецкие ученые Маттиас Шлейден и Теодор Шванн сформулировали клеточную теорию строения организмов. Основные положения современной клеточной теории:

1. Клетка является структурно – функциональной единицей, а также единицей развития всех живых организмов.

2. Клеткам присуще мембранное строение.

3. Клетка размножается только делением.

4. Клеточное строение организмов -свидетельство того, что все живые организмы имеют единое происхождение.

2. Определение жизни и ее субстрата. Сущность жизни

В 1953 году Джордж Уотсон и Ф. Крик расшифровали молекулярную структуру ДНК и с этого времени биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи.

Все живое построено из тех же химических элементов, что и неживое (кислород, водород, углерод, азот, сера и т.д.). В клетках они находятся в виде органических соединений – молекул белков, нуклеиновых кислот.

Каждая клетка содержит сотни разных белков, причем клетки того или иного типа обладают белками, свойственными только им. Поэтому содержимое клеток каждого типа характеризуется определенным белковым составом.

Молекулы, которые являются субстратом жизни, подвергаются непрерывным превращениям во времени и пространстве. Ферменты (особые виды белков), например, могут превратить любой субстрат в продукт реакции в исключительно короткое время.

В качестве субстрата жизни внимание привлекают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Нуклеиновые кислоты – это сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот и фосфор. ДНК является генетическим материалом клеток, определяет химическую специфичность генов. Под контро­лем ДНК идет синтез белков, в котором участвуют РНК.

Белки – это также сложные химические соединения, содержащие углерод, кислород, водород, азот, серу, фосфор. Молекулы белков характеризуются большими размерами, чрезвычайным разнообразием, которое создается аминокислотами, соединенными в полипептидных цепях в разном порядке. Большинство клеточных белков представлено ферментами. Они выступают также в роли структурных компонентов клетки. Каждая клетка содержит сотни разных белков, причем клетки того или иного типа обладают белками, свойственными только им. Поэтому содержимое клеток каждого типа характеризуется определенным белковым составом.

Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратами жизни. В настоящее время считают, что субстратом жизни являются нуклеопротеиды (соединения нуклеиновых кислот и белков – протеидов) Они входят в состав ядра и цитоплазмы клеток животных и растений. Из них построены хроматин (хромосомы) и рибосомы. Они обнаружены на протяжении всего органического мира – от вирусов до человека. Можно сказать, что нет живых систем, не содержащих нуклеопротеидов. Однако важно подчеркнуть, что нуклеопротеиды являются субстратом жизни лишь тогда, когда они находятся в клетке, функционируют и взаимодействуют там. Вне клеток (после выделения из клеток) – они являются обычными химическими соединениями. Следовательно, жизнь есть, главным образом, функция взаимодействия нуклеиновых кислот и белков, а живым является то, что содержит самовоспроизводящую молекулярную систему в виде механизма воспроизводства нуклеиновых кислот и белков.

В отличие от живого различают понятие «мертвое», под которым понимают совокупность некогда существовавших организмов, утративших механизм синтеза нуклеиновых кислот и белков, т. е. способность к молекулярному воспроизведению. Например, «мертвым» является известняк, образованный из остатков живших когда-то организмов.

Наконец, следует различать «неживое», т. е. ту часть материи, которая имеет неорганическое (абиотическое) происхождение и ничем не связана в своем образовании и строении с живыми организмами. Например, «неживым» является известняк, образованный из неорганических вулканических известняковых отложений.

Итак, как живое, так и неживое построены из молекул, которые изначально являются неживыми. Тем не менее, живое резко отличается от неживого. Причины этого глубокого различия определяются свойствами живого, а молекулы, содержащиеся в живых системах, называют биомолекулами.

3.Свойства живых организмов

Признаки живой материи, которые отличают ее от неживой – это прежде всего:

Питание.

Пища нужна всем живым существам. Она служит им источником энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Живые организмы используют только два вида энергии – это энергия солнечного света и энергия химических связей. Организмы, специализированные для использования световой энергии, осуществляют фотосинтез и содержат пигменты, в том числе хлорофилл, способные поглощать свет. К таким организмам относятся растения, водоросли и некоторые наиболее простые организмы, включая бактерии. Организмы, не способные к фотосинтезу, должны получать химическую энергию (т. е. энергию, запасенную в химических связях.

Различные способы питания обусловливают фундаментальные различия между разными организмами.

Дыхание.

Все процессы жизнедеятельности происходят с потреблением энергии, источником которой служит основная масса поступающих с пищей органических веществ. При расщеплении определенных органических соединений в процессе клеточного дыхания происходит высвобождение энергии химических связей с одновременным ее запасанием в богатых энергией молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Это соединение, содержащееся во всех живых клетках, иногда называют «универсальным носителем энергии» или «универсальной энергетической валютой».

Раздражимость.

Все живые существа способны реагировать на изменения внешней и внутренней среды, что резко повышает их способность к выживанию. Например, кровеносные сосуды кожи млекопитающих при повышении температуры тела расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым восстанавливая оптимальную температуру тела. А зеленое растение, которое стоит на подоконнике и на которое свет падает только с одной стороны, тянется к свету, поскольку фотосинтез может происходить лишь при достаточно хорошей освещенности.

Подвижность.

Некоторые живые организмы, такие как животные и бактерии, способны перемещаться из одного места в другое, иными словами, они подвижны. Им необходимо это, чтобы добывать пищу в отличие от других организмов, например растений, которые сами способны создавать себе необходимую пищу из «сырья», получаемого в одном и том же месте. Тем не менее, и у растений можно наблюдать движения некото­рых их частей. Так, например, листья тянутся к свету, а у некоторых растений цветки закрыва­ются на ночь.

Выделение.

Выделение, или экскреция, – это выведение из организма «шлаков» – ненужных продуктов обмена веществ. К шлакам, например, относятся диоксид углерода (углекислый газ), который должен обязательно выводиться, поскольку, накапливаясь в избытке, он оказывает вредное действие. Животные получают с пищей много белков; эти вещества в организме не запасаются, поэтому они должны расщепляться и выводиться из организма. Таким образом, выделение у животных сводится в основном к экскреции азотистых веществ.

Размножение.

Продолжительность жизни организмов ограничена, однако все они обладают способностью непрестанно «поддерживать жизнь», обеспечивая выживание вида. Вид выживает в результате того, что родители передают потомству свои основные признаки, независимо от того, возникло ли потомство в результате полового или бесполого размножения. В поисках причин, обусловливающих такую передачу признаков (наследо­вание), «редукционисты» открыли нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту). В молекулах этих кислот содержится закодированная информация, передающаяся от одного поколения организмов другому, следующему за ним.

Рост.

Объекты неживой природы (например, кристаллы или сталагмиты) растут путем наращивания вещества на своей наружной поверхности. Живые же существа растут изнутри, используя питательные вещества, поступающие в организм с пищей. В результате ассимиляции этих веществ образуется новая живая материя.

Перечисленные выше семь главных признаков живого в той или иной степени присущи всем организмам. Все эти признаки – лишь наблюдаемые проявления главных свойств мате­рии, т. е. ее способности извлекать, накапливать и использовать энергию извне. Но, кроме того, живая материя способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы. В отличие от живой материи мертвое органическое вещество легко разрушается под действием механических и физических факторов среды. 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 поддержние гомеостаза на всех уровнях организации живых систем – от молекул до целых сообществ.

4.Уровни организации живого

Живая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация (иерархия – от греч. "hieros" – священный, "arhe" – власть – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему) выделяют следующие уровни организацииживой природы:

Биосферный.

Биосфера (от греч. bios – жизнь и греч. Spheare – шар) – вся совокупность органического мира совместно с окружающей средой;

Биогеоценотический.

Биогеоценозы – однородные участки земной поверхности с определенным составом живых (биоценозы) и других компонентов природы (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва, горные породы и др.) объединенные обменом вещества иэнергии в единый природный комплекс;

Популяционно-видовой.

Популяция – совокупность всех представителей данного вида, занимающих определенное пространство. Вид – совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, населяющих определенную географическую территорию и обладающих рядом общих морфофизиологических признаков и типов взаимоотношений с живой и неживой природой;

Организменный.

Организм представляет собой целостную одноклеточную или многоклеточную живую систему, способную к самостоятельному существованию. В узком смысле организм – особь, индивидуум, «живое существо »;

Органно-тканевый.

Этот уровень выделяется у многоклеточных организмов. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции. Структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей образует определенный орган;

Клеточный.

Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле;

Молекулярный.

Молекулы нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров и других веществ входят в состав клетки. На этом уровне начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.).

5 Система органической природы К. Линнея. Классификация живых организмов по Маргелису и Шварцу

Большой вклад в создание системы природы внес выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней. Ученый описал более 8000 видов растений, установил единообразную терминологию и порядок описания видов. Он объединил сходные виды в роды, сходные роды – в отряды, а отряды – в классы. В основу своей классификации он положил принцип иерархичности (т. е. соподчиненности) таксонов. В системе Линнея самым крупным таксоном был класс, самым мелким – вид, разновидность. Линней закрепил использование в науке бинарной (т. е. двойной) номенклатуры для обозначения видов. С тех пор каждый вид называется двумя словами: первое слово означает род и является общим для всех входящих в него видов, второе слово – видовое название. В дальнейшем в систему были введены некоторые дополнительные категории: семейство, подкласс и др., а высшим таксоном стал тип. Линней создал самую совершенную для того времени систему органического мира, включив в нее всех известных тогда животных и все известные растения. Однако произвольность в выборе признаков для классификации (у растений – строение тычинок и пестиков; у животных – строение клюва у птиц, строение зубов у млекопитающих) привела Линнея к ряду ошибок. Линней сознавал искусственность своей системы и указывал на необходимость разработки естественной системы природы.

Как теперь известно, естественная система отражает происхождение животных и растений и основана на их родстве и сходстве по совокупности существенных черт строения.

Ученые Маргелис и Шварц предложили следующую классификацию, по которой все живые организмы делятся на пять царств, четыре из которых объединены в надцарство – Эукариот (ey – полностью, хорошо, kariot – ядро), с сформировавшимся клеточным ядром, а вирусы не входят ни в одну из этих групп, так как не имеют клеточного строения.

Классификация живых организмов по Маргелису и Шварцупредставлена на рисунке 2

Пятое царство называется прокариоты – доядерные, у нет обособленного ядра, отделенного от цитоплазмы собственной мембраной и ДНК, имеющая форму кольца свободно плавает в цитоплазме. Прокариоты – это бактерии, цианобактерии и архебактерии. Аналогом ядра у прокариот является структура, состоящая из ДНК и все гены, входящие в состав хромосом прокариот, являются рабочими, т. е. с них непрерывно считывается информация.

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры живых и неживых систем вокруг нас.

2. Что является элементарной биологической системой?

3. Каковы основные признаки живой материи?

4. Назовите основные положения клеточной теории.

5. Дайте определение понятию «жизнь», «живое». Понятия –«неживое» и «мертвое» .

6. Как Вы оцениваете значение изучения растительной, животной и микробной клетки для технолога молочного производства?

7. Какие уровни организации живой природы необходимо изучить особенно подробно с целью применения этих знаний по специальности «Технология молочных продуктов»?

ТЕМА: МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО

1. Биологические молекулы. Последовательность молекулярной организации клеток

Молекулярный уровень является глубинным в орга­низации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов, и стероидов, находящихся в клетках и, как уже отмечено, получивших название биологических молекул.

Размеры биологических молекул характеризуются довольно значительным разнообразием, которое определяется занимаемым ими пространством в живой материи. Самыми малыми биологическими молекулами являются нукдеотиды, аминокислоты и сахара. Напротив, белковые молекулы характеризуются значительно большими размерами.

Биологические молекулы синтезируются из низкомолекулярных предшественников, которыми являются окись углерода, вода и атмосферный азот и которые в процессе метаболизма превраща­ются через промежуточные соединения возрастающей молекулярной массы (строительные блоки) в биологические макромолекулы с большой молекулярной массой.

На молекулярном уровне начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование и передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии, изменчивость и др.).

Физико-химическая специфика этого уровня, заключается в том, что в состав живого входит большое количество химических элементов, но основной элементарный состав живого представлен углеродом, кислородом, водородом, азотом.

Изучение химической организации клетки привело к выводу, что именно химические процессы лежат в основе ее жизни, что все клетки живых организмов сходны по своему составу и что процессы обмена веществ протекают однотипно. Обязательными химическими компонентами каждой клетки являются два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды и углеводы.

Таблица 2 - Химический состав клетки

Считается, что основу жизни на нашей планете составляет углерод. Он обнаружен во всех органических молекулах.

Рисунок 1 - Кругообращение углерода в природе

Углерод выделяется среди всех элементов тем, что его атомы могут связываться друг с другом в длинные цепи или циклы. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучению которых посвящена целая область — органическая химия.

Некоторые структурные формулы углеродных соединений представлены на рисунке 2

Рисунок 2 - Соединения углерода на основе его четырех связей

Из групп атомов углерода, водорода, кислорода и азота образуются молекулы (так называемые–предшественники),

а из них формируются сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям

Большинство этих соединений в клетках представлено нуклеиновыми кислотами и белками, макромолекулы которых являются полимерами, синтезированными в результате образования мономеров, т.е. соединения последних в определенном порядке. Например, аминокислоты, соединяясь в определенном порядке образуют цепочку белка.

Рисунок 4– Общая структура аминокислот

На рисунке 5 представлена вторичная структура белка – это цепочка аминокислотных остатков , состоящая из углерода, кислорода, водорода, азота и радикалов, закрученная в спираль.

Рисунок 5 - Структура белка

Спирт глицерин и жирные кислоты образуют липиды.

Рисунок 6 - Структурная формула липида

Соединение моносахаров в полисахариды представлено на рисунке 7

Глюкоза

Крахмал

Рисунок 7 - Структурная формула глюкозы и крахмала

Мономеры макромолекул в пределах одного и того же соединения имеют одинаковые химические группировки и соединены с помощью химических связей между атомами их неспецифических частей (участков).

Молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов. Полимеры ("поли"- "много", "мерос" - "часть") - это молекулы, состоящие из одинаковых или очень похожих друг на друга групп атомов (остатков мономеров: "моно" - "один"), соединенных между собой (см. рис. 13б и 14). Пищеварительные ферменты во вторичной лизосоме "разрезают" полимеры пойманной пищи на отдельные мономеры. Полимеры и их мономеры обычно имеют разные названия. Сведения обо всех типах полимеров клетки объединены в таблице 2

Обычно на одном конце любого клеточного полимера к нему присоединен атом водорода, а на другом конце - группа из двух соединенных друг с другом атомов - водорода и кислорода. Подобные химические реакции (в ходе которых к каким-либо молекулам присоединяются разделенные на части молекулы воды) называют реакциями гидролиза. Пищеварительные ферменты, производящие реакции гидролиза, называют гидролазами.

Таблица 2. Полимеры и мономеры, входящие в состав живых клеток.

Все макромолекулы универсальны, т. к. построены по одному плану независимо от их видовой принадлежности.

Являясь универсальными, они одновременно и уникальны, ибо их структура неповторима. Например, в состав нуклеотидов ДНК входит по одному азотистому основанию из четырех известных (аденин, гуанин, цитозин и тиамин), вследствие чего любой нуклеотид или любая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК неповторимы по своему составу, равно как неповторима также и вторичная структура молекулы ДНК.

В состав большинства белков входит 100-500 аминокислот, но их последовательности в молекулах белков неповторимы, что делает их уникальными.

Объединяясь, макромолекулы разных типов образуют надмолекулярные структуры, примерами которых являются нуклеопротеиды, представляющие собой комплексы нуклеиновых кислот и белков, липопротеиды (комплексы липидов и белков), рибосомы (комплексы нуклеиновых кислот и белков).

В этих структурах комплексы связаны нековалентно, однако нековалентное связывание весьма специфично. Биологическим макромолекулам присущи не­прерывные превращения, которые обеспечиваются химическими реакциями, катализируемыми ферментами. В этих реакциях ферменты превращают субстрат в продукт реакции в течение исключительно короткого времени, которое может составлять несколько миллисекунд или даже микросекунд. Так, например, время раскручивания двухцепочечной спирали ДНК перед ее репликацией составляет всего лишь несколько микросекунд.

2 Биологическая специфика молекулярного уровня

Биологическая специфика молекулярного уровня определяется функциональной специфичностью биологических молекул. Например, специфичность нуклеиновых кислот заключается в том, что в них закодирована генетическая информация о синтезе белков. Этим свойством не обладают никакие другие биологические молекулы.

Специфичность белков определяется специфической последовательностью аминокислот в их молекулах. Эта последовательность определяет далее специфические биологические свойства белков, т. к. они являются основными структурными элементами клеток, катализаторами и регуляторами различных процессов, протекающих в клетках. (ПРИЛОЖЕНИЕ 2)

Углеводы и липиды являются важнейшими источниками энергии, тогда как стероиды в виде стероидных гормонов имеют значение для регуляции ряда метаболических процессов.

Специфика биологических макромолекул определяется также и тем, что процессы биосинтеза осуществляются в результате одних и тех же этапов метаболизма. Больше того, биосинтезы нукле­иновых кислот, аминокислот и белков протекают по сходной схеме у всех организмов независимо от их видовой принадлежности. Универсальными являются также окисление жирных кислот, гликолиз и другие реакции. Например, гликолиз происходит в каждой живой клетке всех организмов-эукариотов и осуществляется в результате 10 последовательных ферментативных реакций, каждая из которых катализируется специфическим (определенным) ферментом. Все аэробные организмы-эукариоты обладают молекулярными «машинами» в их митохондриях, где осуществляется цикл Кребса и другие реакции, связанные с освобождением энергии. На молекулярном уровне происходят многие мутации. Эти мутации изменяют последова­тельность азотистых оснований в молекулах ДНК.

На молекулярном уровне осуществляется фиксация лучистой энергии и превращение этой энергии в химическую, запасаемую в клетках в углеводах и других химических соединениях, а химической энергии углеводов и других молекул – в биологически доступную энергию, запасаемую в форме макроэнергетических связей АТФ.

Наконец, на этом уровне происходит превращение энергии макроэргических фосфатных связей (АТФ - АДФ) в работу – механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Механизмы всех метаболических и энергетических процессов универсальны.

Биологические молекулы обеспечивают также преемственность между молекулярным и следующим за ним уровнем (клеточным), т. к. являются материалом, из которого образуются надмолекулярные структуры. Молекулярный уровень является «ареной»химических реакций, которые обеспечивают энергией клеточный уровень.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные органеллы и комплексы клетки?

2. Какие виды макромолекул лежат в основе комплексов и органелл клетки?

3. Что является строительным блоком для каждой макромолекулы?

4. Назовите предшественников макромолекул.

ТЕМА: клеточный уровень организации живого.

1 История изучения клетки

Клетка является структурной единицей живого: она обладает способностью размножаться, видоизменяться и реагировать на раздражения. Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур и клеток внутри организма, размножение и развитие клеток, приспособление клеток к условиям окружающей среды.

На протяжении длительного времени человек жил в окружении невидимых существ, использовал продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого теста, приготовлении сыра и кисломолочных продуктов, вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись причинами болезней или портили запасы пищи, но не подозревал об их присутствии потому, что не видел, а не видел потому, что размеры этих микросуществ лежали много ниже того предела видимости, на который способен человеческий глаз. Известно, что человек с нормальным зрением на оптимальном расстоянии (25 — 30 см) может различить в виде точки предмет размером 0,07—0,08 мм. Меньшие объекты человек заметить не может. Это определяется особенностями строения его органа зрения.

Попытки преодолеть созданный природой барьер и расширить возможности человеческого глаза были сделаны давно. Так, при археологических раскопках в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы — самые простые оптические приборы. Линзы были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI—XVII вв. и связано с развитием астрономии. В это время голландские шлифовальщики стекла сконструировали первые подзорные трубы. Оказалось, что если линзы расположить не так, как в телескопе, то можно получить увеличение очень мелких предметов. Микроскоп подобного типа был создан в 1610 г. Г. Галилеем. Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы.

К началу XIX в., после того как появились хорошие микроскопы, были разработаны методы фиксации и окраски клеток, представления о клеточном строении организмов получили общее признание.

Одним из первых микроскоп, состоящий из двух двояковыпуклых линз, дававших увеличение примерно в 30 раз, сконструировал и использовал для изучения строения растений английский физик и изобретатель Роберт Гук (1635—1703). Рассматривая срезы пробки, он обнаружил правильное ячеистое строение древесной ткани. Эти ячейки впоследствии были названы им «клетками» и изображены в книге «Микрография» (1665).