Лекция 1. Общая характеристика жизни
1. Определение сущности жизни с позиции системного подхода
Жизнь — особое явление природы, многообразие которого создает трудности для однозначного определения. Во многих определениях указываются качественно отличающее живое от неживого. Однако наблюдения показывают, что свойства живого, не нося исключительного характера, по отдельности обнаруживаются среди объектов неживой природы.
18 век, физики дали определение жизни с позиции энтропии. Под энтропией понимается величина обратная внутренней энергии тела. Она служит мерой необратимости природных процессов. Количество энтропии в системе обратно пропорционально степени структурированности, упорядоченности. Другими словами энтропия степень неупорядоченности, чем больше энтропия, тем меньше упорядоченность. Живой организм от неживого отличается высокой степенью структурированности и низкой степенью энтропии.Это достигается благодаря притокуизвне, которая используется на поддержание внутренней структуры.
Энгельс определил жизнь, как способ существования белковых тел, и этот способ состоит в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Здесь субстрат жизни — белковые тела. А способ существования требует обмена с окружающей средой. С прекращением обмена прекращается жизнь.
Современная трактовка. С позиции системного подхода жизнь характеризуется как макромолекулярная открытая система, которой свойственны:
• иерархическая организация
• способность к самовоспроизведению
• обмен веществ
• тонко регулируемый поток энергии
Жизнь — это качественно особая форма существования материи связанная с самовоспроизведением. Все живое происходит только из живого. Сущность жизни заключаетеся в самовоспроизведении, которое обеспечивается передачей генетической информации от поколения к поколению. Жизнь — открытая система, состоящая из подсистем более низкого порядка.
В настоящее время считают, что субстрат жизни представлен нуклеопротеидами, они входят в состав ядра и цитоплазмы клеток животных и растений и цитоплазмы у прокариот. Нуклеопротеидыстановятся субстратом жизни лишь тогда, когда они находятся и функционируют в клетках. Вне клеток — это химические соединения.
2. Биологические системы и их фундаментальные свойства
Живая природа — это целостная неоднородная система с иерархической организацией.
Под системой понимают единство составленной из множества элементов, которые находятся в закономерных отношениях и связях друг с другом. Главные биологические категории (геном, клетка, организм, популяция и т. д.) представляют собой систему, в которой элементы связаны или обусловлены иерархической организацией.
Фундаментальные свойства живого:
• Самообновление, связанное с потоком вещества и энергии
• Самовоспроизведение, обеспечивающее преемственность биологических систем, связано с потоками информации
• Саморегуляция, базируется на потоке вещества, энергии и информации
Выделяют и другие фундаментальные свойства:
1. химический состав, живое состоит из тех же химических элементов, что и неживое, но в организмах есть молекулы веществ (биологические молекулы) характерные только для живого: белки, нуклеиновые кислоты, липиды
2. дискретность и целостность. Любая биологическая система состоит из частей, т. е. Дискретна. Взаимодействие этих частей образует целостную систему. Например,В состав организма входят отдельные органы, которые функционируют как единое целое.
3. структурная организация. Живые системы способны создавать порядок из хаотического движения молекул, образуя определенные структуры. Сюда относится комплекс саморегулирующихся процессов обмена веществ. Они (процессы) протекают в строго определенном порядке и направлены на поддержание постоянства внутренней среды, гомеостаза. Создается порядок из хаоса и это противодействует возрастанию энтропии.
• Обмен веществ и энергии. Иногда продукты жизнедеятельности могут вызывать тормозящее действие на ферменты.
• Самовоспроизведение и самообновление. Предполагает образование новых молекул и структур, несущих генетическую информацию, находящуюся в ДНК.
• Наследственность. Молекула ДНК способна хранить и передавать информацию благодаря матричному принципу репликации, обеспечивая преемственность поколений.
• Изменчивость. При передачи наследственной информации иногда возникают отклонения, если изменения благоприятны для жизни, они закрепляются отбором.
• Рост и развитие
• Раздражимость и движение.
Существуют свойства, распространяющиеся на область жизни в целом:
• включенность организмов в процесс эволюции (филогенез)
• существование отдельных организмов лишь во взаимодействии с другими в составе биоценозов и во взаимодействии со средой обитания
3. Возникновение жизни. Современная классификация живого (подробно самостоятельно)
До сих пор остается открытым. Имеются научные и ненаучные гипотезы.
Главные гипотезы:
• Гипотеза панспермии. Гласит, что жизнь занесена из космоса в виде спор либо путем намеренного заселения планеты пришельцами из других миров.
• Гипотеза биохимической эволюции. Жизнь возникла на земле, когда сложилась благоприятная совокупность физических и химических условий, сделавших возможным абиогенное образование органических веществ из неорганических.
Опарин и Холдейн в 20-х гг. 20 столетия предположили, что в условиях имевших место на планете несколько миллиардов лет назад было возможно образование живого вещества.
Условия:
• Наличие атмосферы восстановительного типа (без кислорода)
• Наличие воды
• Наличие источников энергии (уф и космическое излучение, теплота остывающей коры, вулканической деятельности, атмосферные электрические явления, радиоактивный распад).
• Приемлемая температура, отсутствие других живых существ. Опыты Мюллера, Фокса.
Каждое царство характеризуется особенностями строения, входящих в него организмов и питания, т. е. Источниками энергии. Автотрофы: хемо и фотосинтетики, сами создают органическое вещество. Гетеротрофы.
4. Эволюционно обусловленные уровни организации живого
Природа, все живое — сложная иерархическая система.
Уровень — функциональное место биологической структуры определенной сложности.
Различают ряд уровней организации живого:
• субмолекулярный.
• Молекулярный
• субклеточный микросистемный уровень
• клеточный
• тканевый мезосистема уровней
• органный
• систем органов
• организменный, онтогенетический
• популяционный,
• видовой макросистема уровней
• биоценотический
• биосферный, глобальный
Элементарная единица эволюции — это структура или объект, закономерное изменение которых обозначаемые как элементарное явление, вносят специфический вклад в процесс сохранения и развития жизни.
Уровни:
• молекулярно-генетический — это начальный, глубинный уровень организации живого. Представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидами и стероидами, которые находятся в клетках и называются биологическими молекулами. На этом уровне осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности (кодирование, передача наследственной информации, дыхание, обмен веществ и энергии и т.д). Выделенные из клеток биологические молекулы теряют биологическую сущность и характеризуются лишь физико-химическими свойствами лишь того класса соединений, к которому принадлежат. На этом уровне обнаруживается удивительное единообразие дискретных единиц. Жизненный субстрат, для всех животных, растений, вирусов, представлен всего лишь 22 ак. Одними и теми же, и 4 одинаковыми азотистыми основаниями, близкий состав имеют липиды и углеводы. Элементарной единицей на этом уровне служит ген. Элементарное явление заключается в возможности некоторых изменений в содержании закодированной в гене информации при редупликации (генные или истинные мутации).
• Клеточный. Представлен самостоятельными организмами, или клетками многоклеточных орг. Главная специфическая черта заключается в том, что с него начинается жизнь. Поскольку возникающий на молекулярном уровне матричный синтез происходит в клетках. Клетки являются основной формой организации живой материи, ее элементарными единицами, из которых построены и прокариоты и эукариоты. Особенность: специализация клеток. На клеточном уровне происходит разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и времени. Элементарная единица — клетка, элементарное явление представлено реакциями клеточного метаболизма, составляющими основу потоков энергии вещества и информации.
• Организменный, онтогенетический. Представлен одноклеточными и многоклеточными организмам, обнаруживается труднообозримое многообразие форм. В настоящее время обитает около 3 миллионов видов животных и около полумиллиона видов высших растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов, специфическая особенность уровня:
1) происходит декодирование и реализация генетической информации. Элементарная единица — особь, в ее развитии от момента зарождения до прекращения существования. Элементарное явление: закономерные изменения организма в индивидуальном развитии, онтогенезе.
• Популяционно-видовой. Элементарная единица — популяция, совокупность особей одного вида, популяция представляет собой открытую генетическую систему в силу возможности внутрипуляционных скрещиваний. Эволюционно значимое изменение генофонда происходящее под действием элементарных эволюционных факторов (мутационный процесс, колебание численности), представляют элементарное явление на данном уровне.
• Биоцинотический, биосферный уровень .Элементарное явление — это изменение потока энергии и круговорота веществ в биоценозе, элементарная единица — биоценоз.