Концепции современного естествознания

p align="left">Впервые клетки (точнее, пустые и уже неживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основной вклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).

Все живые организмы построены из клеток: одноклеточные - из одной, многоклеточные - из множества клеток, образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоит примерно из (одного квадрильона) клеток.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клетка состоит из трех основных частей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку от внешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы, содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, в котором содержится ДНК - хранитель генетической информации.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клетка способна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества, например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, а также избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечивает поддержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне. Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ, особенно солей.

Поглощение и выделение различных веществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану. Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана с потреблением энергии.

Внутри мембраны заключено клеточное содержимое - очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятся разнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К ним относятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь “сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатая энергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара и молекулы АТФ.

В клетках бактерий ДНК свободно располагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит в состав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной.

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций, которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимых клетке веществ контролируется следующим образом:

1) С помощью репрессии (подавление) или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза может выключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку или образовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена (индукция).

2) Посредством ингибирования (подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становится доступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как его самого, так и ферментов, участвующих в его образовании.

Ингибирование конечным продуктом есть проявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, который встречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачка спущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройство под действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудок через посредство нервной системы выключает чувство голода.

Жизненный цикл клетки

Новые клетки образуются только в результате деления предшествующих клеток (принцип Вирхова). Основной способ деления клеток - митоз. Жизненный цикл клетки представляет собой промежуток времени от момента возникновения клетки до последующего деления. В это время клетка растет, специализируется и выполняет соответствующие функции в составе тканей и органов многоклеточного организма.

Ткани животного организма характеризуются различной судьбой составляющих их клеток. Так, в постоянно обновляющихся тканях (костный мозг, кишечный эпителий, эпителий кожи) большинство клеток постоянно находятся в митотическом цикле (до 80%). В растущих тканях (печень, почки), напротив, только 5-10% клеток непрерывно делятся, а другие выходят из митотического цикла и дифференцируются. Клетки стабильных тканей (нервной и мышечной систем) в конце эмбрионального периода выходят из митотического цикла, необратимо дифференцируются и выполняют специфические функции в течение всей жизни организма.

Единство и многообразие клеточных типов

Разнообразие клеток столь же удивительно, как и разнообразие растений и животных. Проще всего устроены клетки цианобактерий и настоящих бактерий. У них отсутствуют ядра, митохондрии, пластиды и некоторые другие структуры, характерные для клеток высших организмов, не развита система внутренних мембран. В связи с отсутствием ядра такие клетки называются прокариотическими.

Бактериальные клетки могут быть округлыми, палочковидными, изогнутыми или скрученными. Клетки шарообразных бактерий (кокков) способны склеиваться друг с другом, образуя пары, комочки, пленки или длинные цепи. Палочковидные бактерии (бациллы) могут образовывать пары или цепочки, но чаще живут как одиночные клетки.

Клетки настоящих водорослей и наземных растений, грибов и животных имеют оформленное ядро и называются эукариотическими.

Огромное число эукариотических организмов существуют как отдельные клетки: одноклеточные водоросли (хлореллы), одноклеточные грибы (дрожжи) и одноклеточные животные (амебы, инфузории).

Клетки многоклеточных растений и животных могут выглядеть совершенно по-разному. Человек, например, как и все прочие позвоночные, состоит из нервных и мышечных клеток, клеток печени, костной ткани и многих других. Разнообразие формы и размеров клеток соответствует разнообразию их функций.

Несмотря на это разнообразие в основе своей все клетки очень сходны, и каждая клетка осуществляет все основные жизненные функции, которые свойственны любому живому существу.

Дифференциация и интеграция функций в организме

Многоклеточные организмы, к которым относятся высшие растения и животные, состоят из множества специализированных клеток, которые происходят из одной исходной неспециализированной клетки, в типичном случае зиготы. Вопрос о том, как происходит эта специализация, какой механизм координирует развитие различных клеток и организует построение их них различных тканей и органов, - один из самых волнующих в современном естествознании.

Первая стадия, ведущая к специализации клетки, - это детерминация (предопределение) ее будущей роли: станет ли она печеночной, мышечной или нервной и пр. Судьба клетки определяется на раннем этапе эмбриональной жизни и зависит от ее положения в эмбрионе. Например, у зародыша саламандры, когда он еще выглядит как почти бесформенный комочек, можно взять кусочек кожи с места будущей передней конечности и пересадить на боковую сторону другого эмбриона. Позже на этом необычном месте разовьется добавочная передняя лапа, растущая на боку саламандры. Следовательно судьба пересаженного кусочка кожи уже была необратимо предопределена.

Через некоторое время после того, как определится будущая роль клетки, эта клетка и ее потомки начинают готовиться к выполнению своих специальных функций. Клетки, предназначенные для выполнения определенной функции, по мере роста и деления, становятся все более и более специализированными и группируются в орган. Этот процесс совершается с невероятной точностью. Поразительный пример - рост тысяч нервных волокон из сетчатки глаза по направлению к зрительным центрам мозга.

Для координации и управления функциями у высших животных служат две коммуникационные системы - нервная и гуморальная.

Благодаря нервным клеткам, которые, подобно “датчикам” в системах регуляции, следят за параметрами внутренней среды (уровнем сахара, содержанием CO2, температурой тела и пр.) животный организм может поддерживать постоянство внутренней среды. Это явление называется гомеостазом и наивысшего развития достигает у птиц и млекопитающих.

Гормональная система есть и у животных, и у растений. Гормоны - это органические соединения, которые образуются в специализированных клетках в небольших количествах и транспортируются по всему организму с жидкостями тела (кровь и пр.) и специфически управляют функциями других клеток или органов вдали от места своего образования.

К гормонам относятся у растений ауксины, гиббереллины, цитокинины (регуляторы роста); у животных - тироксин (щитовидная железа), адреналин и норадреналин (мозговое вещество надпочечников), инсулин (поджелудочная железа) и стероиды - гормоны коры надпочечников и половые гормоны.

В простейшем случае сама концентрация регулируемого гормоном субстрата тормозит или усиливает образование гормона. Например, повышенная концентрация глюкозы в сыворотке крови стимулирует секрецию инсулина, который снижает концентрацию глюкозы, усиливая синтез гликогена из нее. Напротив, возрастание концентрации кальция тормозит выделение гормона паращитовидной железы, который регулирует обмен кальция и фосфата.

Многие эндокринные железы сами находятся под гормональным контролем. Центральное место в иерархии эндокринных желез занимает гипофиз, тесно связанный с гипоталамусом. Передняя доля гипофиза вырабатывает пять гормонов, которые побуждают периферические эндокринные железы выбрасывать в кровь свои гормоны, а эти последние в свою очередь оказывают тормозящее воздействие на гипоталамо-гипофизарную систему.

Размножение и развитие организмов

Размножение - один из основных феноменов, присущих всему живому. Оно обеспечивает сохранение видов в ряду поколений.

При бесполом размножении новая особь возникает из одной или нескольких способных к делению клеток старой особи.

Размножение одноклеточных организмов осуществляется путем деления родительской клетки. В данном случае смерти организма в привычном понимании не наблюдается: одноклеточные потенциально бессмертны.

У многоклеточных организмов клетки дифференцируются на генеративные и соматические (сома - тело).

При половом размножении в результате слияния половых клеток (гамет) образуется зигота, из которой затем развивается новая особь. Родительские особи, оставив потомство, умирают.

Бесполое размножение широко распространено у низших организмов, но нередко встречается и у высших. Оно имеет определенные преимущества, которые заключаются в том, что дочерний организм получает точные копии всех генов материнского организма, так что родители и дети оказываются генетически идентичны. Эту идентичность мы наблюдаем при размножении растений черенками, отводками, клубнями и пр.

Половое размножение приводит к образованию новых комбинаций генов, полученных от двух родителей, и тем самым является причиной комбинативной изменчивости, которая обусловливает генетическую уникальность почти каждой дочерней особи и является важным фактором эволюции.

Развитие организмов заключается в постепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Индивидуальное развитие - онтогенез подразделяют на два этапа: эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Эмбриональным называется период с момента образования зиготы до рождения или вылупления из яйца.

В эмбриональном периоде развития выделяют следующие этапы: 1) дробление - деление зиготы и образование более мелких бластомеров, образование многоклеточного зародыша;

2) гаструляция - образование зародышевых листков (эктодермы и энтодермы)в результате перемещения клеточных масс; затем между ними образуется третий зародышевый листок - мезодерма;

3) первичный органогенез - образование комплекса осевых органов (у хордовых): нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

При дальнейшей дифференцировке клеток зародышевых листков из эктодермы образуются нервная система, органы чувств, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы - эпителий средней кишки, печень, поджелудочная железа, эпителий легких; из мезодермы - мышечная ткань, соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы.

Эмбриональное развитие высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) включает образование зародышевых оболочек: желточного мешка, аллантоиса и амниона.

Постэмбриональное развитие может быть прямым или сопровождаться превращением - метаморфозом.

Смерть и ее биологический смысл

Течение человеческой жизни, как и жизни всех других существ, от рождения до смерти запрограммировано генетически. Хотя средняя продолжительность жизни в результате успехов медицины за последние сто лет в развитых промышленных странах почти удвоилась и растет дальше, максимальная продолжительность жизни осталась почти неизменной.

Мы мало знаем о том, какими причинами обусловлен процесс старения многоклеточного организма. Старение, которое наиболее изучено у млекопитающих, можно определить как изменения, накапливающиеся в организме с течением времени и приближающие его к смерти (замедление процессов репарации и регенерации, снижение эффективности и активности иммуной, нервной и эндокринной систем, нарушение обмена кальция и пр.). Однако трудно решить, что здесь причина, а что лишь симптомы старения. Одной из причин старения считается накопление мутаций во всех клетках тела, но это не применимо ко всем видам. Попытки найти единственную причину старения оканчиваются неудачей.

Клетки и ткани в культуре in vitro от одноклеточных организмов до экспериментально изолированных клеток или даже тканей растений и животных потенциально бессмертны, их гибель наступает лишь при неблагоприятных условиях.

Все многоклеточные организмы “обречены” на смерть, но лишь человек знает об этом, сознает свою смертность. Сознание человеком неизбежности своей смерти делает для него неустранимым вопрос о смысле жизни. Вот почему смерть есть вечная тема культуры, “вдохновляющий гений философии” (Сократ).

Смысл смерти - создание условий для развития, обогащения жизни, так как видовой, родовой, в том числе и социальный прогресс возможен лишь в форме постоянной смены поколений индивидов - временных и реальных воплотителей родовых свойств и отношений.

Старение и смерть - генетически запрограммированы. Для каждого вида характерна определенная продолжительность жизни, которая может изменяться под действием отбора.

Многообразие биологических видов -- основа организации и устойчивости биосферы

Биосфера Земли населена множеством самых разнообразных живых существ: бактерий, грибов, растений и животных, общее число видов которых превышает 2 млн. Благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере осуществляется круговорот веществ и превращение энергии, вне которого не может существовать ни один живой организм. Полнота и устойчивость биотического круговорота зависит от количества видов, участвующих в нем.

Принципы систематики и таксономии

Живое отличается необычайным многообразием, изучением которого занимается систематика, или таксономия. Задачей систематика (таксономиста) является выделение и описание таксонов - групп организмов, обладающих определенным сходством строения, функций, поведения. Это сходство со времен Дарвина объясняется единством происхождения. Ранг таксона определяется с помощью систематических категорий, которые образуют следующий иерархический ряд от низшего к высшему: вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство. Конечной задачей систематика является построение системы таксонов органического мира, которая правильно отражает филогенетические (эволюционные) отношения между группами организмов. Такая система называется естественной.

Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов

Прежнее деление организмов на растения и животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и более царств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения, грибы и животные.

Вирусы относятся к доклеточным организмам. Они не имеют клеточного строения и могут размножаться только в настоящих клетках. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) и белков. При заражении клетки вирусом в нее проникает только нуклеиновая кислота вируса, которая заставляет клетку производить новые вирусные частицы. Вирусы некоторыми учеными рассматриваются как “заблудившиеся” или “одичавшие” гены.

Обнаружено, что вирусы являются причиной возникновения мутаций. После вирусных заболеваний (инфекционная желтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастает число поврежденных хромосом. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию от одного организма к другому как одного, так и разных видов.

В настоящее время известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных и 50 вирусов, паразитирующих в бактериях (бактериофагов).

Архебактерии и эубактерии относятся к прокариотам - клеточным организмам, не имеющим настоящего ядра. Основные признаки прокариот: генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулой ДНК; отсутствуют пластиды, митохондрии, вакуоли; отсутствует половой процесс, мейоз и митоз.

К архебактериям относятся метанообразующие бактерии, живущие в болотах и на затопленных рисовых полях. Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение “парникового эффекта”, ведущего к потеплению атмосферы Земли. Важнейшие поставщики метана - болота Западно-Сибирской низменности и Амазонии, рисовые поля Кубани, Средней Азии, Китая, Японии, стран Юго-Восточной Азии.

В настоящее время известно около 3000 видов бактерий и 1400 видов синезеленых (цианобактерий).

Зеленые и пурпурные бактерии - фотосинтезирующие организмы, но в отличие от зеленых растений они не выделяют кислород в результате этого процесса.

Хемосинтезирующие бактерии используют энергию окислительных процессов: серобактерии окисляют сероводород до серы; нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту; железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Часть бактерий используют энергию процессов брожения, конечным продуктом которого являются органические кислоты: наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии.

Гнилостные бактерии используют энергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечным продуктом их деятельности являются азотные соединения, в последующем окислении которых принимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, возникшие на самых ранних этапах эволюции жизни, сыграли важную роль в создании современного состава атмосферы, в изменении лика Земли.

Цианобактерии - фотосинтетики и побочным продуктом их фотосинтеза, как и у зеленых растений, является кислород. Синезеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и включать его в органические соединения. Некоторые синезеленые могут иметь дополнительные пигменты, изменяющие их цвет до черного, коричневого и красного. Цвет Красного моря определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированных синезеленых.

Синезеленые представлены не только одноклеточными, но также колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Это древнейшие организмы Земли, до сих пор играющие очень важную роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

К эукариотам относятся растения, грибы и животные. Их клетки имеют настоящие ядра, в которых располагаются хромосомы - линейные молекулы ДНК, связанные с белками.

Царство растений включает организмы, для которых характерно автотрофное питание путем фотосинтеза, для чего служат пластиды (хлоропласты): настоящие водоросли, красные водоросли и высшие растения.

К настоящим водорослям относятся, в частности, золотистые водоросли (около 400 видов), зеленые водоросли (около 5700 видов) и бурые водоросли (до 1500 видов). Тело простейших водорослей состоит из одной или двух клеток. Есть нитчатые и пластинчатые формы, состоящие из многих клеток, но настоящими многоклеточными организмами, для которых характерна дифференциация на ткани и органы, водоросли не являются.

Красных водорослей насчитывается до 4000 видов. Их клетки кроме хлорофилла содержат пигмент фикоэритрин, который позволяет существовать этим водорослям на глубинах до 100 м, на которую проникают только голубые, синие и фиолетовые лучи.

Тело высших растений расчленено на корень, стебель и листья. Корневая система, пронизывающая почву, обеспечивает растение водой и минеральными солями, в связи с чем для высших растений характерна неподвижность. Высшие растения подразделяются на споровые (мохообразные -23000 видов, папоротникообразные - 6600 видов) и семенные (голосеменные - 640 видов и покрытосеменные - 200000 видов).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22