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,
| " |
Введение.
1. Предмет биологии. Определение жизни. Признаки живой материи.
2. Общие свойства живых организмов.
3. Понятие гомеостаза.
4. Характеристика уровней организации живой природы.
5. Живой организм как система.
Предмет биологии. Определение жизни. Признаки живой материи.
Биология (от греч. bios-жизнь, logos-понятие, учение) - наука, изучающая живые организмы. Развитие этой науки шло по пути изучения элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе законы живого пытаются познать, изучая вместо единого целого отдельные его части, т.е. изучают элементарные акты жизнедеятельности организмов с применением законов физики, химии и т.д. При другом подходе «жизнь» рассматривают как совершенно особенное и уникальное явление, которое нельзя объяснить только действием законов физики и химии. Т.о. основная задача биологии как науки состоит в том, чтобы истолковать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих. Нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона языком физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, однако мы до сих пор не имеем реального представления о том, как возникает мысль и каковы ее химические основы. Итак, мы вынуждены признать, что не можем дать строгого определения, что же такое жизнь, и не можем сказать, как и когда она возникла. Все, что мы можем, - это перечислить и описать специфические признаки живой материи , которые присущи всем живым существам и отличают их от неживой материи:
1) Единство химического состава. В живых организмах 98% химического состава приходится на 4 элемента: углерод, кислород, азот и водород.
2) Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что помогает им выжить. Например, кровеносные сосуды кожи млекопитающих при повышении температуры тела расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым снова восстанавливая оптимальную температуру тела. А зеленое растение, которое стоит на подоконнике и освещается только с одной стороны, тянется к свету, потому что для фотосинтеза нужна определенная освещенность.
3) Движение (подвижность). Животные отличаются от растений способностью перемещаться из одного места в другое, т. е. способностью к движению. Животным необходимо двигаться, чтобы добывать пищу. Для растений подвижность необязательна: растения способны сами создавать питательные вещества из простейших соединений, доступных почти повсюду. Но и у растений можно наблюдать движения внутри клеток и даже движения целых органов, хотя и с меньшей, чем у животных, скоростью. Могут двигаться и некоторые бактерии, и одноклеточные водоросли.
4) Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые организму и выделяя продукты жизнедеятельности. Питание, дыхание, выделение – разновидности обмена веществ.
Питание. Пища нужна всем живым существам. Они используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Растения и животные различаются главным образом по тому, как они добывают пищу. Почти все растения способны к фотосинтезу, т. е. они сами создают питательные вещества, используя энергию света. Фотосинтез - одна из форм автотрофного питания. Животные и грибы питаются по-иному: они используют органическое вещество других организмов, расщепляя с помощью ферментов это органическое вещество и усваивая продукты расщепления. Такое питание называют гетеротрофным. Гетеротрофами являются многие бактерии, хотя некоторые из них автотрофны.
Дыхание. Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия. Поэтому основная масса питательных веществ, получаемых в результате автотрофного или гетеротрофного 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.
Выделение. Выделение, или экскреция, - это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. Такие ядовитые «шлаки» возникают, например, в процессе дыхания, и их надо обязательно удалять. Животные потребляют очень много белков, и, поскольку белки не запасаются, их необходимо расщепить, а затем вывести из организма. Поэтому у животных выделение сводится в основном к экскреции азотистых веществ. Еще одной из форм экскреции можно считать выведение из организма свинца, радиоактивной пыли, алкоголя и массы других вредных для здоровья веществ.
5) Рост. Объекты неживой природы (например, кристалл или сталагмит) растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности. 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. Рост живых существ сопровождается развитием – необратимым количественным и качественным изменением.
6) Размножение. Продолжительность жизни у каждого организма ограничена, однако все живое «бессмертно», т.к. живые организмы оставляют после смерти себе подобных. Выживание вида обеспечивается сохранением главных признаков родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения. Закодированная наследственная информация, которая передается от одного поколения к другому, содержится в молекулах нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты).
7) Наследственность – способность организмов передавать свои признаки и функции следующим поколениям.
8) Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства.
9) Саморегуляция. Выражается в способности организмов поддерживать постоянство своего химического состава и функций в системе (например, постоянство температуры тела), физиологических процессов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. В отличие от живой материи мертвое органическое вещество легко разрушается под действием механических и химических факторов окружающей среды. Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии.
Эти главные признаки 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 главного свойства живой материи (протоплазмы) – ее способности извлекать, превращать и использовать энергию извне. К тому же протоплазма способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы.
Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул. Если эти молекулы выделить и каждый их вид исследовать в отдельности, то можно убедиться, что они подчиняются всем законам физики и химии, описывающим поведение неодушевленной материи. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживых молекул. Если мы поближе познакомимся с этими особыми свойствами, то нам станут более понятны те основные вопросы, ответы на которые пытается найти биохимия.
1.1. Для живой материи характерны некоторые отличительные особенности
Одна из наиболее примечательных особенностей живых организмов - это их сложность и высокая степень организации. Они характеризуются усложненным внутренним строением и содержат множество различных сложных молекул. Живые организмы представлены миллионами разных видов, тогда как окружающая нас неживая материя - глина, песок, камни, вода - состоит из неупорядоченных смесей сравнительно простых химических соединений.
Вторая особенность живых организмов заключается в том, что любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. Это относится не только к макроскопическим структурам и, в частности, к органам, таким, как сердце, легкие или мозг, но и к микроскопическим внутриклеточным структурам, таким, как клеточное ядро. Даже индивидуальные химические соединения, содержащиеся в клетке, например белки или липиды, наделены специальными функциями. Поэтому вполне правомерен вопрос о том, для какой цели понадобилась живому организму та или иная молекула или химическая реакция, тогда как спрашивать о функции различных химических соединений, входящих в состав неживой материи, абсолютно бессмысленно.
Третья особенность живого, благодаря которой мы ближе подходим к сути жизненных процессов, состоит в том, что живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды - либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения. Эта энергия позволяет организмам создавать собственные богатые энергией сложные структуры и поддерживать их целостность. Кроме того, за счет этой энергии организмы выполняют механическую работу при передвижении; она также дает возможность осуществлять перенос различных веществ через мембраны. Живые организмы никогда не бывают в состоянии равновесия - это касается как процессов, идущих в самих организмах, так и их взаимодействия с окружающей средой. Неживая материя, напротив, неспособна к целенаправленному использованию энергии для поддержания своей структуры и выполнения работы.
Рис. 1-1. Некоторые характерные особенности живой материи - «признаки жизни». А. Поперечный срез фотосинтезирующей клетки, на котором видна ее тонкая и сложная структура: темные образования - это хлоропласты, содержащие тысячи молекул хлорофилла, ориентированных так, чтобы они могли улавливать солнечную энергию. Б. Длинный хоботок бабочки бражника в результате длительной биологической эволюции оказался приспособленным к извлечению нектара из цветков с длинным раструбом. В. Дельфины, питающиеся мелкой рыбой, преобразуют химическую энергию пищевых продуктов в мощные импульсы мышечной энергии. Г. Биологическое сомовоспроизведение происходит с почти идеальной точностью.
Предоставленная самой себе, она постепенно разрушается и со временем переходит в неупорядоченное состояние; при этом устанавливается равновесие с окружающей средой.
Но самая поразительная особенность живых организмов - это их способность к точному самовоспроизведению - свойство, которое можно считать поистине квинтэссенцией живого состояния. Известные нам смеси веществ, входящие в состав неодушевленных предметов, не проявляют способности к росту и воспроизведению, обеспечивающему сохранение из поколения в поколение одинаковой формы, массы и внутренней структуры этих предметов.
1. Определённый единый химический состав. Живые организмы состят из тех же веществ, что и объекты неживой природы,
но соотношение этих элиментов различно.
Основными элементами живых существ являются C(углерод), O(кислород), N(азот) и H(водород).
2. Обмен веществ и энергозависимость. Живые организмы являются открытой системой,
они зависят от поступления в них веществ и энергии из окружающей среды.
3. Самовоспроизведение. Живые организмы способны размножаться - воспроизводить себе подобных.
4. Наследственность. Способность передавать признаки и свойства (наследственную информацию) из поколения в поколение с помощью молекул ДНК и РНК.
5. Изменчивость. Способность приобретать новые признаки и свойства.
6. Способность к росту и развитию.
а) Онтогенез. Индивидуальное развитие от зарождения организма и до конца жизни
(смерти или нового деления), сопровождается ростом, свойственен каждой особи.
б) Филогенез. Эволюционное развитие, заключается в историческом развитии
жизни на Земле с момента её появления до настоящего времени.
7. Раздражимость. Живые организмы способны отвечать на определённые внешние воздействия (изменение окружающей среды) специфическими реакциями.
8. Целостность и дискретность. Вся материя целостна, определённым образом организована и подчиняема общим законом,
однако же и состоит из обособленных, хотя и связанных элементов.
Саморегуляция. Способность поддерживать гомеостаз - постоянство своего химического состава.
Адаптация. Способность организмов приспосабливаться к окружающей среде.
Ритмичность. Проявление особой ритмичности жизнедеятельности (суточная, сезонная и др.)
Иерархичность. Нахождение всех живых материй в особом соподчинении друг друга,
в котором биологические системы менее сложного уровня даёт возможность существования систем более сложных.
Клеточное строение имеют все живые организмы за исключением вирусов.вых существ.
14. Научные методы исследования
два основных уровня научного познания: эмпирический и теоретический
Эмпирический уровень познания включает в себя
Наблюдение явлений,
Накопление и отбор фактов
Установление связей между ними.
Эмпирический уровень - это этап сбора данных (фактов) о социальных и природных объектах
Теоретический уровень познания связан с преобладанием мыслительной деятельности, с осмыслением эмпирического материалв, его переработкой. На теоретическом уровне раскрывается
Внутренняя структура и закономерности развития систем и явлений
Их взаимодействие и обусловленность.
Общие методы научного познания обычно делят на две большие группы:
методы эмпирического исследования (наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент);
методы теоретического исследования (абстрагирование, анализ и синтез, идеализация, индукция и дедукция, мысленное моделирование, восхождение от абстрактного к конкретному и др.).
Методы эмпирического исследования
наблюдение,
сравнение,
измерение,
эксперимент
материальное моделирование
Наблюдение
Mетоды, используемые на теоретическом уровне исследований
К таким методам принято относить
абстрагирование,
аксиоматический,
анализ и синтез,
идеализация,
индукцию и дедукцию,
мысленное моделирование,
восхождение от абстрактного к конкретному
Отечественным ученым М.В. Волькенштейном (1965) предложено следующее определение: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот». Однако до сих пор общепризнанного определения понятия «жизнь» не существует. Но можно выделить признаки (свойства) живой материи , отличающие ее от неживой.
- Определенный химический состав — живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Основными элементами живых существ являются С, О, N и Н.
- Клеточное строение — все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение. Вне клетки жизни нет.
- Обмен веществ и энергозависимость — живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступления в них из внешней среды веществ и энергии.
- Саморегуляция (гомеостаз) — живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз — постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.
- Раздражимость — живые организмы проявляют раздражимость, т.е. способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями.
- Наследственность — живые организмы способны передавать признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации — молекул ДНК и РНК.
- Изменчивость — живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства.
- Самовоспроизведение (размножение) — живые организмы способны размножаться — воспроизводить себе подобных.
- Индивидуальное развитие (онтогенез) — каждой особи свойствен онтогенез — индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.
- Эволюционное развитие (филогенез) — живой материи в целом свойствен филогенез — историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.
- Адаптация — живые организмы способны адаптироваться, т.е. приспосабливаться к условиям окружающей среды.
- Ритмичность — живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).
- Целостность и дискретность — с одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам, с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов.
- Иерархичность — все живое, начиная с биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и кончая биосферой в целом, находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня (см. следующий подраздел).
