III. Уровни организации живого

Биология: определение, современный этап развития биологии, место и задачи биологии в системе подготовки врача.

Термин биология введен в начале XIX в. независимо Ж.Б. Ламарком и Г. Тревиранусом для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. В настоящее время его используют в другом смысле, относя к группам организмов, вплоть до вида. Предметом биологии как учебной дисциплины служит жизнь во всех ее проявлениях.

Для биологии ХХ в. характерны два процесса.

Во-первых, вследствие накопления огромного фактического материала прежние единые науки начинают распадаться наотдельные отрасли. Так, из зоологии выделились энтомология, гельминтология, протозоология и многие другие отрасли, из физиологии - эндокринология, физиология высшей нервной деятельности и т. д.

Во-вторых, намечается тенденция к сближению биологии с другими науками, возникают:

· биохимия;

· биофизика;

· биогеохимия и др.

Появление пограничных наук указывает на диалектическое единство многообразных форм существования и развития материи, способствует преодолению метафизического разобщения в изучении форм ее существования.

В последние десятилетия в связи с бурным развитием техники и новейшими достижениями в ряде областей естествознания возникли молекулярная биология, бионика, радиобиология, космическая биология.

Область современного естествознания - молекулярная биология. Используя теоретические основы и экспериментальные методы химии и молекулярной физики, она дает возможность исследовать биологические системы на молекулярном уровне

В системе медицинского образования изучение биологии определяется тем, что биология - это теоретическая основа медицины. Поскольку человек является частью живой природы, закономерности строения и функционирования живых организмов распространяются на процессы жизнедеятельности человека в норме и патологии.

"Медицина, взятая в плане теории, - это, прежде всего, общая биология", - писал один из крупнейших теоретиков медицины И.В. Давыдовский. Во всех медицинских науках используются фундаментальные знания об общебиологических закономерностях развития, строения и жизнедеятельности человека.

1. Определение понятия жизнь и свойства живого. Уровни организации живого.

Жизнь – это специфическое свойство систем, называемых живыми. На планете Земля жизнь представлена в двух формах – внеклеточной и клеточной

II. Свойства жизни

1. Питание.Пища является для живых организмов источником энергии и «строительным» материалом, необходимым для роста и осуществления всех процессов жизнедеятельности. Различают автотрофный, гетеротрофный и миксотрофный типы питания.

Автотрофы (греч. autos ─ сам) способны самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, используя энергию Солнца ─ фототрофы (греч. photos ─ свет, trophe ─ питание)– или химических реакций ─ хемотрофы. К ним относят все зелёные растения и некоторые бактерии. Автотрофы живут за счёт неорганического источника углерода (СО₂).

Гетеротрофы (rpeч. heteros ─ другой) используют в питании готовые органические вещества, т.е. используют органические источники углерода. К ним относят животных, грибы и большинство бактерий.

Миксотрофы ( греч. mix ─ смешать) имеют смешанный тип питания. В зависимости от условий внешней среды организм может питаться, как автотроф или гетеротроф. Например, эвглена зеленная на свету ─ автотроф, в темноте ─ гетеротроф.

2. Дыхание.Для всех живых организмов органические вещества с их химической энергией служат материалом, из которого извлекается вся энергия, необходимая для осуществления всех жизненных функций организма.

Процесс, при котором окисление органических веществ ведет к выделению химической энергии, называется дыханием. Энергия аккумулируется в молекулах АТФ. Самым эффективным способом расщепления является кислородный (аэробный), который осуществляется при участии кислорода, поступающего в организм при дыхании. Аэробный распад приводит к образованию продуктов, бедных энергией,– СО₂ и Н₂О.

Анаэробное расщепление осуществляется в бескислородной среде и характеризуется формированием относительно богатых энергией веществ (органических кислот, этанола).

3. Движение – это способность организма передвигаться в пространстве.

У организмов, ведущих прикрепленный образ жизни, наблюдаются ростовые движения, которые могут быть равномерными и неравномерными. Для неравномерного роста характерно увеличение отдельных частей тела.

Передвижение всего организма в пространстве называется локомоцией.

Многие одноклеточные организмы передвигаются с помощью специальных органоидов: ложноножек, жгутиков, ресничек.

Совершенства двигательная реакция достигает в мышечном движении многоклеточных организмов и обеспечивается энергией АТФ.

4. Выделение (экскреция) – это процесс выведения из организма конечных продуктов метаболизма – шлаков.

Растения экскрецию осуществляют через дыхание и транспирацию (испарение).

Выделение продуктов жизнедеятельности у одноклеточных и примитивных многоклеточных организмов происходит либо через всю поверхность тела, либо при помощи сократительных вакуолей.

Для многоклеточных организмов характерны специализированные органы выделения (протонефридии, мальпигиевы сосуды, почки, легкие). Многие из них выводят шлаки через кожу.

Благодаря выделению выводятся не только шлаки, но и удаляется лишнее количество воды, а также регулируется ионный состав.

5. Рост и развитие.Рост организма осуществляется путем прироста его массы за счет увеличения размеров и числа клеток. Как правило, рост сопровождается развитием, проявляющимся дифференцировкой клеток, усложнением структуры и функции органов и организма в целом. Все процессы, связанные с развитием и ростом, находятся под генетическим контролем и подвержены нейрогуморальной регуляции.

В процессе онтогенеза формируются признаки в результате взаимодействия генотипа и внешней среды. В ходе филогенеза появляется огромное разнообразие организмов вследствие постоянной их адаптации к изменяющимся условиям среды.

6. Раздражимость.Неотъемлемым свойством живых систем является раздражимость. Это способность организма реагировать на определенные воздействия внешней среды. Она заключается в восприятии раздражения и ответе на него.

Средовые факторы, вызывающие реакцию организма, называются раздражителями.

В качестве раздражителя (стимула) могут выступать многие факторы живой и неживой природы (свет, температура, звук, вещество, воздействие живых организмов друг на друга и т.д.). Стимул служит пусковым или управляющим фактором, определяющим дальнейшую реакцию организма на него.

У организмов, не имеющих нервной системы, раздражимость выражается в виде тропизмов, настий, таксисов.

Тропизмы характерны для неподвижных организмов. У них в ответ на какой-либо раздражитель изменяется направление роста или положение органов. Так, у растений можно наблюдать фототропизм, гидротропизм и т.д.

Настии – это реакция отдельных частей растительного организма на какой-либо раздражитель. Так, венчик цветка тюльпана на свету открывается, а в темноте закрывается.

Таксисы – это направленные перемещения к источнику стимуляции (положительные таксисы) и от него (отрицательные таксисы).

Например, движение фагоцитов к инородному телу –положительный таксис, а перемещение инфузории от капельки кислоты – отрицательный таксис.

У организмов, обладающих нервной системой, раздражимость проявляется в виде рефлекторной деятельности.

Рефлекс – это осуществляемая нервным механизмом реакция на специфический раздражитель, регулярно повторяющаяся более или менее одинаковым образом. Рефлексы бывают условные (приобретенные) и безусловные (врожденные).

У животных имеются определенные структуры – рецепторы, специализированные для восприятия раздражителей различной природы (хеморецепторы, терморецепторы, барорецепторы и т.д.).

Благодаря раздражимости живые организмы уравновешиваются с внешней средой и адекватно реагируют на ее воздействия.

7. Обмен веществ и энергии.Под обменом веществ или метаболизмом понимают совокупность химических процессов, протекающих в клетках и обеспечивающих существование организмов и их взаимосвязь с внешней средой.

Метаболизм состоит из анаболизма (ассимиляция) и катаболизма (диссимиляция), между которыми существует диалектическое единство, выражающееся в их непрерывности и взаимосвязи. Анаболизм обеспечивает синтез веществ, катаболизм – расщепление с последующим выделением энергии.

Все энергетические процессы в живых системах подчиняются первому закону термодинамики (закон Майера и Гельмгольца), согласно которому энергия при химических превращениях не исчезает и не образуется вновь, она переходит из одной формы в другую. Из живых систем энергия выделяется в виде тепла.

Второй закон термодинамики – это закон энтропии. Энтропия – это мера неупорядоченности процессов. Согласно второму закону термодинамики в природе в целом и в каждой изолированной системе энтропия всегда увеличивается и, соответственно, уменьшается упорядоченность. Но в отличие от неживых систем живые структуры, расходуя энергию, не только поддерживают присущие им упорядоченность и организованность, но еще и увеличивают их. Поскольку организм представляет собой открытую систему, в результате его жизнедеятельности, в окружающей среде постоянно повышается энтропия. Причем прирост энтропии оказывается больше, чем ее уменьшение внутри организма.

Обмен веществ и энергии обеспечивает восстановление клеточных структур, рост и развитие организма, постоянство внутренней среды, самообновление на всех уровнях организации живого.

8. Обмен информации,Существуя в природе, организм постоянно получает, перерабатывает и передает информацию.Информация не имеет материальной основы – это не вещество, не энергия. Однако переносят информационные сигналы либо материальные, либо энергетические носители.

Внутри организма в роли сигналов выступают различные вещества или нервные импульсы, которые как провоцируют и стимулируют те или иные процессы, внутри живой системы, так и обеспечивают ответную реакцию на внешние сигналы.

Взаимоотношения между особями бывают двух категорий: контактные и дистантные. Контактные взаимодействия осуществляются при непосредственном контакте организмов. Дистантные отношения проявляются в виде зрительных, акустических, химических и других сигналов. Способность организмов воспринимать различного рода сигналы обеспечивает такое свойство живого как раздражимость.

9. Наследственность и изменчивость. Наследственность – универсальное свойство живого, представляющее собой способность передавать свои признаки и свойства потомству. Наследственность консервативна, она обеспечивает закрепление уже имеющихся признаков и свойств в ряду поколений, что ведет к преемственности между поколениями и обусловливает существование видов.

Изменчивость – свойство, противоположное наследственности, представляет собой способность живого приобретать новые признаки и свойства, отличные от родительских форм, в процессе онтогенеза. Изменчивость – прогрессивное свойство живого, так как обеспечивает вариации признаков в результате изменений генетической информации (наследственная изменчивость) и влияния внешней среды (модификационная изменчивость).

10. Пространственная и временная организация. Свойство временной организации заключается в способности живых организмов точно измерять время и координировать биологические процессы с астрономическим временем и геофизическими датчиками времени (светом, температурой и т.д.).

Любая живая система имеет «биологические часы», которые обеспечивают синхронность и согласованность процессов во времени внутри себя и между организмами. Упорядоченность всех процессов достигается благодаря таким свойствам, как цикличность и ритмичность.

Особенностями пространственной организации являются целостность и дискретность.

11. Дискретность и целостность.Жизнь как общепланетарное явление целостна и в то же время дискретна. Это свойство проявляется на всех уровнях организации живого. Так, одноклеточные организмы состоят из таких дискретных частиц, как ядро, цитоплазма, оболочка. Многоклеточные состоят из клеток, тканей и органов, выполняющих различные функции жизнеобеспечения. При этом существование одних органов и клеток зависит от других.

Сами же живые организмы, будучи дискретными и целостными системами по отношению к таким надорганизменным структурам, как биогеоценозы и биосфера в целом, представляют собой дискретные единицы, объединённые биотическим круговоротом веществ и энергии.

III. Уровни организации живого

Живая природа, будучи неоднородной, является в то же время целостной системой и характеризуется упорядоченностью составляющих её компонентов. С учётом этого в середине XX века сложилось представление об уровнях организации живого, где каждый низший уровень является базисом для более высокого уровня.

Принято выделять три группы уровней организации живого: суборганизменный, организменный, надорганизменный. Все эти уровни плавно переходят один в другой и то, что является дискретным на одном уровне, является целостным на другом.

I. Суборганизменный уровень включает, в свою очередь, пять уровней:

– атомарный;

–молекулярный;

–субклеточный;

– клеточный;

–тканево-органный.

Атомарный уровень характеризуется тем, что на этом уровне нет отличий между живой и неживой природой: в их состав входят одни и те же химические элементы.

Молекулярный уровень. Как бы ни была сложна организация живых систем, их химическим признако

м являются образующие молекулы органических веществ: белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Эти молекулы, будучи построены из тех же химических элементов, которые присутствуют и в неживой природе, служат основой первичного качественного отличия живой природы от неживой.

На молекулярном уровне происходит реализация таких свойств живого, как обмен веществ, хранение наследственной информации, превращение энергии.

Субклеточный уровень характеризует соответствующие клетке внутриклетичные структуры, особенности их строения и функции.

Клеточный уровень. Все живые организмы имеют клеточное строение. На уровне клеток происходят процессы синтеза и расщепления веществ, разграничение и упорядочение процессов жизнедеятельности в пространстве и во времени.

Для одноклеточных организмов клеточный уровень совпадает с организменным (онтогенетическим).

Клетки многоклеточных организмов, входя в состав тех или иных тканей и органов, имеют свою специфику.

Тканево-органный уровень. Ткань – совокупность клеток и межклеточного вещества, сходная по строению, происхождению и выполняющая в организме определённые функции.

Из тканей формируются органы. Это части организма, состоят из определённых тканей и выполняют специфические функции.

II. Организменный (или онтогенетический) уровень. Организм – сложившаяся в ходе эволюции целостная, генетически самовоспроизводящаяся система живого вещества, способная к поддержанию определённой морфологической и функциональной организации.

Дискретными единицами организма являются ткани и органы.

На этом уровне проявляются свойственные особям видовые и индивидуальные черты строения, физиологические процессы, механизмы адаптации и поведения.

III. Надорганизменный уровень включает в себя три уровня:

–популяционно-видовой;

–биогеоценотический;

–биосферный.

Вид –это совокупность особей, сходных по основным морфологическим и физиологическим признакам, поведению, кариотипу, имеющих общее происхождение, заселяющих определенный ареал, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.

Виды являются сложной интегрированной системой внутривидовых единиц – популяций.

Популяция – это минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, населяющих в течение многих поколений определенную территорию, свободно скрещивающихся и относительно изолированных от других популяции данного вида. Обладая единым генофондом, который под влиянием эволюционных факторов может изменяться, популяции служат элементарной единицей микроэволюции.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная природная система популяций живых организмов разных видов и окружающей среды, между компонентами которой идёт непрерывный обмен веществом, энергией и информацией (биотический круговорот).

Биосферный уровень. Биосфера – это целостная, термодинамически открытая, саморегулирующаяся, устойчивая система, в основе функционирования которой лежит непрерывный круговорот вещества и энергии, поддерживающий в состоянии равновесия входящие в неё компоненты системы. Дискретными единицами биосферы являются биогеоценозы, биотические круговороты которых объединяются на уровне биосферы в общий круговорот.

2. Про - и эукариоты. Основные особенности их строения (примеры).

Прокариоты (лат. про – перед и гр. карион –ядро) – это древнейшие организмы, не имеющие оформленного ядра. Носителем наследственной информации у них является молекула ДНК, которая образует нуклеоид. В цитоплазме прокариотической клетки нет многих органоидов, которые имеются у эукариотической клетки (митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и т.д.; функции этих органоидов выполняют ограниченные мембранами полости). В прокариотической клетке имеются рибосомы. Большинство прокариот имеет размер 1–5 мкм. Размножаются они путем деления без выраженного полового процесса. Прокариоты обычно выделяют в надцарство. К ним относят бактерии,сине-зеленые водоросли (цианеи, или цианобактерии), риккетсии, микоплазмы и ряд других организмов.

Эукариоты (гр. эу – хорошо и карион – ядро) –организмы, в клетках которых есть четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку (кариолемму) (рис. 1, 2). Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы. В цитоплазме эукариотических клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, рибосомы и т.д.). Большинство эукариотических клеток имеет размер порядка 25 мкм. Размножаются они митозом или мейозом (образуя половые клетки –гаметы или споры у растений); изредка встречается амитоз – прямое деление, при котором не происходит равномерного распределения генетического материала (например, в клетках эпителия печени). Эукариоты также выделяют в особое надцарство, которое включает царства грибов, растений и животных.

3. Цитоплазма. Химический состав, физико-химические свойства, структурная организация. Цитоскелет.

Цитоплазма (греч. citos – клетка, plazma – вылепленная) – это внутренняя среда клетки. Включает гиалоплазму, цитоскелет, органоиды и включения.

❇ Гиалоплазма (матрикс) заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Это тонкозернистое, полупрозрачное, вязкое, студенистое вещество цитоплазмы.

Химический состав. Гиалоплазма – это коллоидный раствор с высоким содержанием воды и белков. Гиалоплазма способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное. Состав гиалоплазмы определяет осмотические свойства клетки.

Н₂О 70 – 75%,

белки 10 – 20%,

липиды 1 – 5%,

углеводы 0,2 – 2%,

нуклеиновые кислоты 1 – 2%,

минеральные соединения 1 – 1,5%,

АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества 0,1 – 0,5%.

Функции: 1) транспортная: обеспечивает перемещение веществ в клетке;

2) обменная: является средой для протекания химических реакций внутри клетки;

3) собственно внутренняя среда клетки, в которую погружены все другие компоненты цитоплазмы и ядро.

Цитоскелетпредставлен микротрубочками, микрофиламентами и микрофибриллами (промежуточными филаментами).

Микротрубочки представляют собой длинные полые неветвящиеся цилиндры диаметром 20 – 30 нм, которые образуют эластичную трехмерную сетку по всему объему цитоплазмы. Они собираются из глобулярных белков тубулинов в результате их полимеризации. Тубулин постоянно присутствует в цитоплазме, является субъединицей микротрубочек. В стенке микротрубочек насчитывается 13 субъединиц тубулина. Образование микротрубочек идет путем самосборки.

Микротрубочки создают направление упорядоченного перемещения веществ в клетке. Встречаются в свободном состоянии в цитоплазме клеток или как структурные элементы жгутиков, ресничек, митотического веретена, центриолей. Микротрубочки разрушаются под воздействием колхицина.

· Микрофибриллы или промежуточные филаменты –это пучки нитей, локализованные по периферии клетки и вокруг ядра. Их называют скелетными фибриллами. Они тоньше микротрубочек, но толще микрофиламентов, за что и получили своё название. Максимальное их скопление выявляется в местах наибольшего растяжения и сжатия клетки. По химической природе промежуточные филаменты представлены разнообразными классами белков, это тканеспецифичные структуры.

Микрофиламенты – это белковые нити толщиной около 4 нм. Большинство из них образовано молекулами актинов, которых выявлено около 10 видов.

4. Строение и функции органоидов общего назначения: эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии, пластиды, рибосомы, клеточный центр, микротрубочки. Органоиды специального назначения.

ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ (РЕТИКУЛУМ)

Органоид общего значения, имеющий одномембранный принцип строения. В 1945году К.Портер с сотрудниками увидел в электронном микроскопе большое число мелких вакуолей и каналов, соединяющихся друг с другом и образующих что-то наподобие рыхлой сети (ретикулум). Было видно, что стенки этих вакуолей и канальцев ограничены тонкими мембранами.

Структура: ЭПС представляет собой сеть из пузырьков, каналов, цистерн, густо оплетающих центральную часть цитоплазмы (эндоплазму) и занимающих 50-70 % ее объема.

Различают два вида ЭПС: гранулярную (зернистую, шероховатую) и агранулярную (гладкую). На мембранах гранулярной сети расположены рибосомы, на гладкой их нет.

Основными функциями ЭПС являются: синтетическая – на гранулярной – синтез белка в рибосомах, на гладкой – углеводов и липидов; транспортная – синтезированные вещества перемещаются по каналам ЭПС внутри клетки и за её пределы.

Типы ЭПС

· Микротрубочки представляют собой длинные полые неветвящиеся цилиндры диаметром 20 – 30 нм, которые образуют эластичную трехмерную сетку по всему объему цитоплазмы. Они собираются из глобулярных белков тубулинов в результате их полимеризации. Тубулин постоянно присутствует в цитоплазме, является субъединицей микротрубочек. В стенке микротрубочек насчитывается 13 субъединиц тубулина. Образование микротрубочек идет путем самосборки.

1 –α-тубулин; 2 – β-тубулин