Сущность жизни

Живая материя качественно отличается от неживой огромной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью .

Живая и неживая материя сходны на элементарном химическом уровне, т. е. состоят из одних химических элементов

Определение жизни .

Современное диалектико - материалистическое :

Жизнь - это качественно особая и высшая форма существования , развития и движения материи .
Жизнь - способ существования белковых тел , существенным моментом которого является постоянное самообновление химических составных частей этих тел . ( Ф. Энгельс « Анти - Дюринг « )
Живые тела , существующие на Земле , представляют собой открытые , саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы , построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот . ( М. В. Волькенштейн )
Жизнь - это макромолекулярная система с определённой иерархической организацией , способная к воспроизведению , обмену веществ и регулируемому потоку энергии . (К. Гробстейн )

Чёткого , ясного , принятого всеми определения жизни в настоящее время не существует .

Фундаментальные свойства живых систем.

Единство химического состава :

98% химических элементов живых организмов составляю С , О , N , Н - биогенные элементы
важное значение имеют элементы Na , K , Mg , Fe , Ca , P , S , Cl - микроэлементы ( эти же элементы входят в состав неживых обьектов , но в других соотношениях )
все живые организмы построены из 4 основных групп сложных органических молекул - биополимеров : нуклеиновых кислот , белков , полисахаридов , липидов , или жиров .

2 . Клеточное строение

все живые организмы имеют определённую организацию , структурной и функциональной единицей которой является клетка ( кроме вирусов ) .

Обмен веществ и энергии ( энергозависимость )

живые организмы - открытые системы , существующие и устойчивые только при условии непрерывного доступа к ней вещества и энергии извне (поглощение из окружающей среды необходимых веществ , синтез из них биополимеров и выделение продуктов жизнедеятельности )
осуществление потока веществ и энергии через организмы обусловлено свойствами белков ( особенно их каталитической активностью ) и нуклеиновых кислот
в результате распада сложных органических веществ выделяется энергия ,необходимая для реакций биосинтеза
обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и физико-химических особенностей организма - гомеостаз
живые системы находятся в состоянии динамического равновесия с собственными компонентами и внешней средой (обмен веществами также возможен в неживой природе - небиологический круговорот - физический перенос или изменение их агрегатного состояния )

4. Саморегуляция - способность поддерживать постоянство химического состава

физико-химических констант организма и интенсивность метаболизма - гомеостаз

осуществляется с помощью биологически активных веществ ( гормонов , ферментов , витаминов и т. д. ) и нервной системы по принципу обратной связи ( т. е. ингибирования процесса продуктами метаболизма )
при недостатке веществ - мобилизуются внутренние ресурсы организма , избыток - вызывает прекращение синтеза этих веществ

5. Размножение и репродукция

существование каждой отдельной биологической системы ограничено во времени , поэтому жизнь на любом уровне связана с репродукцией
размножение ( репродукция ) обеспечивает поддержание жизни в ряду поколений
на молекулярном уровне репродукция осуществляется на основе матричного синтеза ( самовоспроизведения молекул ДНК ) и тесно связано с явлением наследственностью

Наследственность - общее свойство всех живых организмов сохранять и передавать от предков потомкам признаки своего строения и жизнедеятельности

обеспечивает материальную преемственность ( поток информации ) между поколениями организмов
хранение и передача наследственной информации осуществляются на основе генетического кода нуклеиновыми кислотами - ДНК , РНК , обеспечивающие авторепродукцию жизни на молекулярном , субмолекулярном и клеточном уровне

Изменчивость - общее свойство всех организмов приобретать отличия в строении и жизнедеятельности от предков ( противоположное наследственности )

связана с нарушениями в процессе самовоспроизведения и аберрациями генетических структур ( ДНК , хромосом )
чаще всего носит негативный характер для организма в стабильных условиях внешней среды.
является элементарным фактором эволюции (поставляет материал для естественного отбора )

Индивидуальное развитие ( онтогенез ) - развитие организма от образования зиготы до смерти .

во время индивидуального развития происходит реализация наследственной информации
сопровождается ростом ( увеличением массы )
базируется на репродукции молекул , клеток и дифференцировке биологических структур ( необратимые процессы )
продолжительность жизни (онтогенеза ) ограничена процессами старения

Эволюционное развитие ( филогенез )

процесс исторического развития таксона , к которому принадлежит организм ( необратимый и направленный процесс )
реализация существования организма во времени
сопровождается видообразованием и прогрессивным усложнением
основные закономерности установлены Ч. Дарвином
результатом филогенеза является огромное многообразие форм жизни на Земле

Раздражимость - способность организма отвечать спецефическими реакциями на внешние воздействия

выражается в избирательных реакциях организма на внешние воздействия ( безусловные и условные рефлексы , таксисы , тропизмы , настии ) , необходимых для поддержания гомеостаза
связана с передачей информации из внешней среды любой биологической системе
всякое изменение окружающей среды является раздражителем
связана с изменением химических субстратов жизни
сочетания « раздражитель - реакция » могут накапливаться в виде опыта

Ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебания ( сек. , годы , столетия )

обеспечивает согласование функций организма с периодически изменяющимися условиями существования ( суточные , сезонные ритмы )
является адаптацией организмов к геофизическим циклам среды ( суточные ритмы сна и бодрствования у человека , сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих )

11. Дискретность и целостность

любая биологическая система состоит из обособленных или ограниченных в пространстве взаимодействующих сруктурно-функциональных частей ,образующих относительно автономную часть целого . связанную молекулами белков и нуклеиновых кислот
дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности
принцип дискретности лежит в основе представлений об уровнях организации живой материи

Помимо названных . иногда выделяют и чисто физиологические свойства , присущие живому – подвижность рост , выделение и т. д.

Уровни организации живой материи

Живая природа - упорядоченная , целостная , открытая , но неоднородная система , состоящая из дискретных единиц , которой свойственна иерархичность организации .

Система - целостность , состоящая из множества элементов , находящихся в закономерных отношениях . Иерархичная система - система , части которой расположены в порядке от низшего к высшему .

иерархический принцип организации живой материи позволяет выделить отдельные уровни ( на основе принципа дискретности жизни )

Уровень организации - это функциональное место биологической системы в общей системе органического мира

существование жизни на каждом уровне определяется и подготавливается структурой низшего уровня
иерархические уровни организации живого соответствуют узловым моментам эволюции органического мира
отдельные иерархические уровни определяются элементарной единицей и элементарным явлением

Элементарная единица - структура ( объект ) , изменение которой составляет элементарное явление ( вклад в сохранение и развитие жизни )

общими для всех уровней организации являются - дискретность, целостность, структурная организация , обмен веществ , энергии и информации

Иерархические уровни организации живой материи

I . Молекулярный ( молекулярно - генетический ) уровень

начальный ( самый низкий ) уровень организации живого
универсален для всех царств живой природы
с этого уровня начинаются обмен веществ и превращение энергии , изменчивость , передача наследственной информации и др. .
физико-химическая специфика этого уровня - основная масса химических элементов представлена С , Н , N , О - 98 %
является жизненным субстратом для всех животных , растений , вирусов и представлен :

а ) 20 видами одних и тех же аминокислот , образующих всё многообразие белков

б ) 5 одинаковых азотистых оснований , образующих нуклеиновые кислоты - ДНК , РНК - хранение изменение и реализация наследственной информации

в ) липидами ( жирами )

г ) полисахаридами

д ) аденозинтрифосфорными кислотами - АТФ , АДФ , АМФ - аккумуляторов биологической энергии

выделенные из клеток биологические молекулы являются неживыми
элементарная единица - ген
элементарное явление - генетическая конвариантная редупликация ( самовоспроизведение ) ДНК
механизм осуществления элементарного явления - матричный синтез
обуславливает возможность некоторых изменений информации гена - генные мутации

II . Субклеточный уровень

элементарная структура - клеточные компоненты - органоиды (специфичны по структуре и функциям)
элементарное явление - функциональная активность органоидов

III . Клеточный уровень

Клетка - элементарная самостоятельная структуро-функциональная единица , характерная для всех живых организмов ( прокариот и эукариот ) , единица размножения и развития
в структуре и функция клеток растений и животных нет принципиальных различий
с этого уровня начинается жизнь ( возможность матричного синтеза биополимеров)
обеспечивает структуры , процессы , энергетику и химические субстраты для реализации генетической информации
элементарное явление - реакции клеточного метаболизма - основа потоков энергии, вещества и информации , которые возможны только на клеточном уровне
характерная особенность клеточного уровня - специализация клеток и раздражимость
клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным

IV . Тканевый уровень

Ткань - совокупность клеток и межклеточных элементов с одинаковым типом происхождения и организаци ( строения , размеров , расположения и функций )
возник в ходе эволюционного развития вместе с многоклеточностью
у многоклеточных организмов образуется в процессе онтогенеза как следствие дифференциации клеток
ткани сходны на уровне многоклеточных животных - 5 основных тканей и растений - 6 основных тканей
совместно функционирующие клетки , относящиеся к разным тканям , образуют органы

Органный уровень

Орган - структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей ( часть многоклеточного организма , выполняющая определённые функции
у более совершенных организмов имеются системы органов

VI . Организменный ( онтогенетический ) уровень

элементарная структура - особь - элементарная единица жизни ( представлена одноклеточными и многоклеточными организмами растительной и животной природы )
происходит от одного зачатка ( зиготы , споры , части другого организма )
элементарное явление - закономерное изменение организма в процессе индивидуального развития (онтогенеза ) - рост , дифференциация , интеграция частей , возможные только на этом уровне
воплощение фенотипа на основе генотипа ( декодирование и реализация наследственной информации )
существует в виде огромного разнообразия форм ( более миллиона видов животных и около 500 тысяч видов растений )
вне особей жизни в природе не существует
осуществляется саморегуляция гомеостаза с помощью нервной и эндокринной систем
подвержен действию эволюционных и экологических факторов

VII . Популяционно-видовой уровень

элементарная единица - популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида образующих относительно изолированную самовоспроизводящуюся , территориальную открытую генетическую систему надорганизменного порядка
популяция - элементарная единица эволюционного процесса ( в ней начинаются процессы видообразования )
Вид - совокупность популяций , занимающая определённый ареал , особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства ( генетически стабильная система )

VIII . Биогеоценотический уровень ( экосистемный )

элементарная структура - биоценоз - исторически сложившиеся , устойчивые сообщества популяций разных видов , связанных между собой и окружающей неживой природой обменом веществ , энергии и информации ( биогеоценоз в случае учёта физических факторов )
на этом уровне осуществляются вещественно-энергетические круговороты , связанные с жизнедеятельностью организмов ( элементарное явление )
биогеоценозы составляют биосферу и обуславливают все процессы , происходящие в ней

IX . Биосферный уровень ( глобальный )

Биосфера - часть атмосферы , литосферы и гидросферы , занятая живыми организмами или следами их деятельности
самый высокий уровень организации живого ( живых систем )
обьединяет все вещественно-энергетические круговороты в единый глобальный , планетарный круговорот веществ и энергии

Общие замечания

на всех уровнях жизнь представляет из себя открытую систему , условием существования которой является непрерывный поток энергии и материи
для молекулярного и субклеточного ( надмолекулярного ) уровней окружающей средой является внутренняя среда клетки
для клеток , тканей и органов - внутренняя среда организма ( внешняя живая и неживая среда на этих уровнях воспринимается опосредованно , т.е. через изменение внутренней среды )
для организмов и их сообществ среду составляют другие организмы и условия неживой природы
между различными уровнями организации живого существует диалектическое единство ( при переходе от одного уровня к другому связан с сохранением функциональных механизмов предшествующих уровней и сопровождается возникновением новых структур и функций )
представление о биологической форме существования материи складывается только при комплексном изучении явлений жизни на всех уровнях

Уровни организации органического мира

Уровень системы Уровень организации Метод изучения

Биологические Молекулярный Физико-химический

микросистемы Субклеточный Микроскопический

Клеточный Цитологический

Биологические Тканевый Гистологический

мезосистемы Органный Анатомический

Организменный Физиолого-анатомический

Биологические Популяционно - Зоология , ботаника .

макросистемы видовой экология , эволюционный

Биогеоценотический Биогеоценология

Биосферный Биосферология

Химическая организация клетки

в состав клетки ( протоплазмы ) входит более 80 элементов ( все они встречаются и в неживой природе )

для 27 элементов известно , что они выполняют определённые функции
53 элемента , вероятно , попадают в организм случайно с водой , пищей , воздухом и не участвуют в жизнедеятельности
по содержанию в клетке элементы разделяются на три группы :

Макроэлементы (основные, биогенные) - С - 65% , О -20% , Н -10% , N -3%

в сумме они составляют 98 % от элементарного состава клетки
биологическое значение обусловлено их способностью к образованию прочных ковалентных связей
главные химические компоненты основных структурных и функциональных компонентов клетки

Макроэлементы - ( концентрация 0 , 1 - 0 , 01 % ) - K , Na , Ca , Mg , P , S , Cl , Fe

в сумме составляют около 1 % элементарного состава клетки

поступают в организм в виде солей

в клетке находятся в ионизированной форме
являются сырьём для синтеза биологически активных соединений

небольшое число основных структурообразующих элементов биологически более целесообразно , чем их большое количество ( способны образовывать сравнительно небольшое число типов связей что уменьшает количество необходимых ферментов до нескольких тысяч )

Микроэлементы - ( концентрация 0 , 001 % - 0 , 000001 % )-Cu , Co , Mn , Zn ,

B , Wa , J , Br , F , Ni , Si , и т. д.

в организме находятся в неионизированной форме
входят в состав ферментов , гормонов и других биологически активных соединений
их отсутствие негативно для биохимических процессов и даже приводит к смерти

Ультрамикроэлементы - ( концентрация менее 10 ^-6 % ) - Ra , Au , Ag , Hg , Ве , U , Se , Ze и др. .

физиологическая роль большинства не установлена
попадают в организм и клетку случайно

% содержание любого элемента в клетке не говорит о степени его необходимости

на атомарном уровне различие в химическом составе органического и неорганического мира отсутствует

Химические соединения ( вещества ) клетки

содержание ( концентрация ) химических веществ в клетке поддерживается на постоянном уровне ( строгий гомеостаз )

I . Неорганические вещества ( в % на сырую массу ) :

вода - 75 - 85 %

минеральные соли - 1 - 1,5 % ( находятся в клетке в определённых соотношениях )

II . Органические вещества :

белки - 10 - 20 %

жиры - 1 - 5 %

углеводы - 0.2 - 2 %

нуклеиновые кислоты - 1 - 2 %

АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества - 0,1 - 0,5 %

все клетки имеют сходный элементарный и химический состав ( свидетельство общности происхождения )

Неорганические вещества клетки

Вода , её свойства и биологические функции

на первом месте по массе в клетке ( в среднем составляет 2 \ 3 массы клетки )
источники воды для клетки : 1) поступление из окружающей среды ( у растений )

образование в клетке в результате расщепления органических веществ - жиров , углеводов , белков и из внешней среды ( у животных )

местонахождение и преобразование в клетке - в цитоплазме , вакуолях , матриксе органелл , , ядерном соке , клеточной стенке , межклетниках
содержание воды в клетке зависит от фазы онтогенеза организма и активности клеточного метаболизма ( чем «моложе» клетка и интенсивнее её метаболизм - тем больше ) : в клетках эмбриона - 95 % , молодой организм - 80 % , клетках пожилых людей - 60 % , нейронах - 85 % , мышечные клетки - 76 % , жировая ткань - 40 % , костная ткань - 20%
с возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается
потеря 20 % веса за счёт воды смертельна для организма
без воды и пищи организм может существовать не более 3 - 4 дней
роль воды в клетке определяется ее физико-химическими , химическими и структурными свойствами

Физико-химические особенности молекулы воды

1. Небольшой размер молекул ( легко проникает через клеточные мембраны по градиенту концентрации , поры )

Несжимаемость (придание формы сочным органам и тканям )
Способность к электролитической диссоциации ( НОН = Н+ + ОН⁺ )
Дипольная структура ( асимметричное распределение зарядов атомов + и - )
Способность к образованию Н - связей ( благодаря им все молекулы природной и клеточной воды ассоциированы , отдельные молекулы только при температуре 400⁰С )

Н - связи в 20 раз слабее ковалентных

Высокая теплота испарения ( охлаждение организма )

Высокая теплопроводность ( быстрое и равномерное распределение тепла )
Большая удельная теплоёмкость ( самая большая из всех известных жидкостей )

защита тканей от быстрого и сильного повышения температуры
избыточная энергия ( тепло ) расходуется на разрыв Н - связей

Большая теплота плавления (уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающих её жидкостей )
Поверхностное натяжение и когезия ( самое большое из всех жидкостей )

Когезия - сцепление молекул физического тела под действием сил притяжения

обеспечивает движение воды по сосудам ксилемы ( проводящей ткани растений )
передвижение растворов по тканям ( восходящий и нисходящий токи по растению , кровообращение и т. д. )

Прозрачность в видимом спектре ( фотосинтез , испарение )
Максимальная плотность при температуре 4 ⁰С
Способность растворять газы ( О₂, СО₂ и др. . )

Биологические функции воды

все живые клетки могут существовать только в жидкой среде

Вода - универсальный растворитель ( для полярных молекул и неполярных соединений )

По степени растворимости вещества разделяются на :

Гидрофильные ( хорошо растворимы в воде ) - соли , моно - и дисахариды , простые спирты , кислоты , щёлочи , аминокислоты , пептиды

гидрофильность определяется наличием групп атомов ( радикалов ) - ОН- , СН₃^- , NН₂^-и др .

Гидрофобные (плохо растворимые или нерастворимые в воде ) - липиды , жиры , жироподобные вещества , каучук, некоторые органические растворители ( бензол , эфир ) , жирные кислот , полисахариды, глобулярные белки

гидрофобность определяется наличием неполярных молекулярных группировок :

СН₃- , СН₂- СН₃-

гидрофобные вещества могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты(фракции)
гидрофобные вещества отталкиваются водой и притягиваются друг к другу (гидрофобные взаимодействия )

Амфифильные – фосфолипиды , жирные кислоты

имеют в составе молекулы и ОН- , NН₂- , СООН- и СН₃- , СН₂ - СН₃-
в волных растворах образуют бимолекулярный слой

2. Обеспечивает тургорные явления (тургесцентность ) в растительных клетках

Тургор - упругость растительных клеток , тканей и органов создаваемое внутриклеточной жидкостью

обуславливает форму , упругость клеток и рост клеток , движения устьиц , транспирацию (испарение воды ) , всасывание воды корнями

3. Среда для осуществления диффузии (простой и облегчённой )

4. Обуславливает осмотические явления и осморегуляцию

Осмос - процесс диффузии воды и растворённых в ней химических веществ сквозь полупроницаемую мембрану по градиенту концентрации ( в сторону повышенной концентрации )

лежит в основе транспорта гидрофильных веществ через мембрану клетки , всасывании продуктов пищеварения в кишечнике , воды корнями и т. д.

Поступление веществ в клетку (в основном в виде водного раствора )
Выведение метаболитов ( продуктов обмена веществ ) из клетки - экскреция

осуществляется преимущественно в виде водных растворов

7.Обеспечивает коллоидную консистенцию (систему ) цитоплазмы - дисперсность внутриклеточной среды

Обеспечивает стабильность клеточных биополимеров - белков , нуклеиновых кислот
Определяет функциональную активность макромолекул , которая зависит от толщины гидратной (водной ) оболочки вокруг них
Создаёт и поддерживает химическую среду для физиологических и биохимических процессов - const pH+ - строгий гомеостаз для оптимальной реализации функций ферментов
Создаёт среду для протекания химических реакций синтеза и распада ( большая часть протекает только в виде водных растворов )
Вода - химический реагент ( важнейший метаболит )

реакции гидролиза , расщепления и пищеварения белков , углеводов , липидов , запасных биополимеров , макроэргов – АТФ, нуклеиновых кислот
участвует в реакциях синтеза , окислительно-восстановительные реакциях

13. Основа образования жидкой внутренней среды организма - крови , лимфы , тканевой жидкости , ликвора

Обеспечивает транспорт неорганических ионов и органических молекул в клетке и организме ( по жидким средам организма , цитоплазме ,проводящей ткани - ксилеме , флоэме
Источник кислорода , выделяющегося при фотосинтезе
Донор атомов водорода , необходимого для восстановления продуктов ассимиляции СО₂ в процессе фотосинтеза
Обеспечивает стабильность субклеточных структур ( клеточных органоидов ) и клеточных мембран
Терморегуляция (поглощение или выделение тепла вследствие разрыва или образования водородных связей) - const t^oC
Среда обитания одноклеточных организмов
Опорная функция ( гидростатистический скелет у животных )
Защитная функция (слезная жидкость , слизь )
Служит средой , в которой происходит оплодотворение
Распространение гамет , семян , личиночных стадий водных организмов
Способствует миграции организмов

Blog

Сущность жизни

Содержание

Сущность жизни