«ТОГАПОУ «Колледж техники и технологии наземного транспарта им. М. С. Солнцева» Методическое пособие для самостоятельной работы студентов на уроках ...»

Министерство образования и науки РФ

Управление образования и науки Тамбовской области

ТОГАПОУ «Колледж техники и технологии наземного транспарта

им. М. С. Солнцева»

Методическое пособие

для самостоятельной работы студентов на уроках

по предмету Биология

Издание 3-е дополненое и исправленное

Преподаватель Высшей категории

Уваров Алексей Николаевич

Тамбов 2016

Пояснительная запискаДанная работа предназначена для проведения самостоятельной работы студентов во время уроков Биологии, а также содержит дополнительный материал к урокам по основным разделам дисциплины.

Теоретический материал освещает основные темы курса, даёт примерный план ответа на вопросы и соответствует требованиям ФГОС к уровню подготовки выпускника среднего (полного) образования по предмету.

Примером самостоятельной работы с использованием данной методички могут быть задания дифференцированного уровня…

Базовый или репродуктивный уровень.

Прочитать материал и составить конспект

Продуктивный уровень.

Прочитать текст и составить 15 – 20 вопросов с правильным вариантом ответа

Пример.

Что такое биология?

- Биология это наука изучающая живые организмы, их происхождение и взаимосвязи.

Творческий уровень.

Прочитать текст и составить 15 – 20 вопросов в тестовой форме

Пример.

Что такое биология?

Это наука изучающая живые организмы, их происхождение и взаимосвязи.

Это наука о живом и мёртвом.

Это наука о здоровье.

На выполнения задания отводится часть урока или задание даётся на дом. В последствии группа разбивается на части и устраивается самоконтроль и взаимоконтроль усвоения материала.

Общая биология – дисциплина, изучающая основные закономерности возникновения и развития жизни на землеВВЕДЕНИЕОткрываемые и изучаемые биологией закономерности – важная составная часть современного естествознания. Они служат основой медицины, сельскохозяйственных наук, лесного хозяйства, звероводства, охотничьего и рыбного хозяйства.

Использование человеком богатств органического мира строится на принципах, вскрываемых биологией. Данные биологии, относящиеся к ископаемым организмам, имеют значение для геологии. Многие биологические принципы применяют в технике. Использование атомной энергии, а также космические исследования потребовали создания и усиленного развития радиобиологии и космической биологии.

Только на основе биологических исследований возможно решение одной из самых грандиозных задач, вставших перед человечеством, – планомерной реконструкции биосферы Земли с целью создания оптимальных условий для жизни увеличивающегося населения планеты.

Современная классификация биологических наук

Биологические дисциплины

Анатомия, Альгология, Антропология, Бактериология, Биогеография, Биогеоценология, Биоинженерия, Биоинформатика, Биология океана, Биология развития, Биометрия, Бионика, Биосемиотика, Биоспелеология, Биофизика, Биохимия, Ботаника, Биомеханика, Биоценология, Бриология, Вирусология, Генетика, Геоботаника, Гидробиология, Гистология, Дендрология, Зоология, Иммунология, Ихтиология, Космическая биология, Ксенобиология, Микология, Микробиология, Молекулярная биология, Морфология, Нейробиология, Палеонтология, Систематика, Синтетическая биология, Таксономия, Теоретическая биология, Токсикология, Фенология, Физиология, Физиология ВНД, Физиология животных и человека, Физиология растений, Цитология, Эволюционное учение, Эмбриология, Эндокринология, Энтомология, Этология

Анатомия — сборная группа разделов биологии, изучающих структуру организмов или их частей на уровне выше клеточного. Для филогенетически близких видов организмов показано сходство на уровне анатомического строения.

Анатомия человека — изучает структуры и взаимное расположение тканевых комплексов у человека. Эта ветвь науки имеет значение как для биологии, так и для медицины.

Анатомия растений (гистология растений) — наука о внутреннем строении растительных тканей, их происхожденни, закономерностях развития и размещения в отдельных органах.

Анатомия животных — как наука, занимается изучением внутреннего строения живых организмов, строением представителей царства Животные, структурным расположением систем органов, отдельных органов и тканей организма. Альгология  — раздел биологии, изучающий водоросли.

Антропология  — комплекс дисциплин, занимающихся изучением человека и человеческого общества. Традиционно выделяют физическую антропологию, основной предмет которой составляют человек как биологический вид и его ближайшие родственники — современные и ископаемые человекообразные приматы, а также социальную и культурную антропологию, основным предметом которых является сравнительное изучение человеческих обществ (нередко выделяют также политическую и экономическую антропологию, но обычно их рассматривают как специализированные разделы социальной и культурной антропологии). Особняком стоит так называемая философская антропология, представляющая собой не столько эмпирическую науку, сколько смесь религиозно-философских учений о природе человека. Бактериология — наука о бактериях, раздел более широкой научной дисциплины — микробиологии.

Биогеография — наука, изучающая закономерности географического распространения животных и растений, а также характер фауны и флоры отдельных территорий. Биогеография разделяется на зоогеографию (географию животных) и фитогеографию (географию растений).

Биогеоценология — научная дисциплина, исследующая строение и функционирование биогеоценозов, отрасль знания на стыке биологии (экологии) и географии.

Биоинженерия (биологическая инженерия) — отрасль биологии и медицины, занимающаяся сознательным внесением изменений в живые организмы для управления их свойствами. Биоинженерия - создавание искусственным путём новых биологических видов. Например - берётся ДНК одного вида смешивается с другой ДНК другого вида - в результате новый биологический вид.

Биоинформатика или вычислительная биология — одна из дисциплин биологии, развивающая использование компьютеров для решения биологических задач. Под биоинформатикой понимают любое использование компьютеров для обработки биологической информации.

Биология океана (морская биология, биологическая океанология, биологическая океанография) — наука, раздел биологии и океанологии, изучающий жизнь морских организмов (биоты) и их экологические взаимодействия. Биология океана — часть гидробиологии.

Биология развития — раздел современного биологического учения о процессах индивидуального развития организма от оплодотворения и эмбрионального развития до рождения и смерти.

Сравнение зародышей позвоночных на разных стадиях эмбрионального развития. Печально знаменитая иллюстрация из работы Эрнста Геккеля, на которой различия между эмбрионами искусственно занижены, ради большего соответствия теории рекапитуляции (повторения филогенеза в онтогенезе). Следует отметить, что фальсификация данной иллюстрации не отменяет того, что зародыши обычно действительно представляются более сходными между собой, чем взрослые организмы, что было отмечено эмбриологами еще до возникновения теории эволюции.

Биометрия — раздел вариационной статистики, с помощью методов которого производят обработку экспериментальных данных и наблюдений, а также планирование количественных экспериментов в биологических исследованиях. Биометрия сложилась в XIX веке, главным образом, благодаря трудам Ф. Гальтона и К. Пирсона. В 1920-30-х годах крупный вклад в развитие биометрии внес Р. Фишер.

Бионика  — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Эдвард Фрост (Кембриджшир, Англия) в 1902 сконстуировал орнитоптер из ивы, шёлка и перьев.

Биосемиотика — наука, исследующая свойства знаков и знаковых систем (знаковые процессы) в живых системах. Первые основные концепции биосемиотики (ещё не вводя сам этот термин) сформулировал в 1940 году своих работах немецкий биолог, живший в Эстонии — Якоб фон Икскюль (нем. Jakob von Uexkll). Сам термин «биосемиотика» появился значительно позже, в 1963 году: впервые его ввёл в научный оборот специалист по нейроанатомии, медицинской психологии и психиатрии Ротшильд.

Ботаника  — наука о растениях.

Биомеханика -движение живого; раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

Бриология — раздел ботаники, изучающий мохообразные растения (Bryophyta sensu lato), к которым относятся мхи, печёночники и антоцеротовые.

Вирусология — раздел биологии, изучающий вирусы (от латинского слова virus — яд). Впервые существование вируса (как нового типа возбудителя болезней) доказал в 1892 году русский учёный Д. И. Ивановский.

Генетика  — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости. Грегор Иоганн Мендель (1822—1884) — биолог и ботаник, сыгравший огромную роль в развитии представления о наследственности. Законы Менделя лежат в основании современной генетики.

Гидробиология — наука о жизни и биологических процессах в воде, одна из биологических дисциплин. Каспийское море — крупнейшее озеро в мире.

Гистология — раздел биологии, изучающий строение тканей живых организмов. Обычно это делается рассечением тканей на тонкие слои и с помощью микротома. В отличие от анатомии гистология изучает строение организма на тканевом уровне.

Дендрология — раздел ботаники, изучающий древесные растения (деревья, кустарники и кустарнички).

Зоология — биологическая наука, предметом изучения которой являются представители царства Animalia (животные).

Ветви зоологии

Акарология,

Антропология,

Апиология,

Арахнология,

Гельминтология,

Герпетология,

Ихтиология,

Карцинология,

Кетология,

Конхология,

Криптозоология,

Малакология,

Мирмекология,

Нейроэтология,

Нематология,

Орнитология,

Палеозоология,

Планктология,

Приматология,

Протозоология,

Териология,

Хироптерология,

Энтомология,

Этология.

Иммунология изучает

Строение иммунной системы;

Закономерности и механизмы развития иммунных реакций;

Механизмы контроля и регуляции иммунных реакций;

Болезни иммунной системы и её дисфункции;

Условия и закономерности развития иммунопатологических реакций и способы их коррекции;

Возможность использования резервов и механизмов иммунной системы в борьбе с инфекционными и неинфекционными заболеваниями;

Иммунологические проблемы трансплантации органов и тканей.

Ихтиология — раздел зоологии, посвященный всестороннему изучению круглоротых и рыб.

Микробиология — наука о живых организмах, невидимых невооруженным глазом (микроорганизмах): (бактерии, архебактерии, микроскопические грибы и водоросли, часто этот список продляют простейшими и вирусами). Обычно первооткрывателем микромира называют Антони ван Левенгука (1632-1723).

Молекулярная биология — комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот).

Морфология (в биологии) изучает как внешнее (форму, структуру, цвет, образцы) организма, таксона или его составных частей, так и внутреннее строение живого организма (например, морфология человека). Подразделяется на наружную морфологию (или эйдономию) и внутреннюю морфологию (или анатомию).

Нейробиология — наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологииДекарт: «Раздражение ступни передаётся по нервам в мозг, взаимодействует там с духом и таким образом порождает ощущение боли».

Палеонтология — наука об ископаемых останках растений и животных, пытающаяся реконструировать по найденным останкам их внешний вид, биологические особенности, способы питания, размножения и т. д., а также восстановить на основе этих сведений ход биологической эволюции.

Токсикология — наука, изучающая ядовитые, токсичные и вредные вещества, потенциальную опасность их воздействия на организмы и экосистемы, механизмы токсического действия, а также методы диагностики, профилактики и лечения развивающихся вследствие такого воздействия заболеваний.

Фенология  — система знаний о сезонных явлениях природы, сроках их наступления и причинах, определяющих эти сроки.

Цитология — раздел биологии, изучающий живые клетки, их органоиды, их строение, функционирование, процессы клеточного размножения, старения и смерти.

Схематическое изображение животной клетки, цифрами отмечены некоторые субклеточные компоненты: (1) ядрышко, (2) клеточное ядро, (3) рибосома, (4) везикула, (5) шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР), (6) аппарат Гольджи, (7) цитоскелет, (8) гладкий ЭР, (9) митохондрия, (10) вакуоль, (11) цитоплазма, (12) лизосома, (13) центриоль

Эволюционное учение (также эволюционизм и эволюционистика) — система идей и концепций в биологии, утверждающих историческое прогрессивное развитие биосферы Земли, составляющих ее биогеоценозов, а также отдельных таксонов и видов, которое может быть вписано в глобальный процесс эволюции вселенной. Первые эволюционные идеи выдвигались уже в античности, но только труды Чарлза Дарвина сделали эволюционизм фундаментальной концепцией биологии.

Эмбриология — это наука, изучающая развитие зародышаЭндокринология  — наука о строении и функции желез внутренней секреции (эндокринных желез), вырабатываемых ими продуктах (гормонах), о путях их образования и действия на организм животных и человека; а также о заболеваниях, вызванных нарушением функции этих желез или действия этих гормонов.

Энтомология — раздел зоологии, изучающий насекомых.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУКМногоплановость системы биологических наук объясняется многообразием проявлений жизни и разнообразием форм и методов исследования живых объектов. Одними из первых в биологии сложились науки: о животных – зоология и растениях – ботаника, а также анатомия и физиология человека – основа медицины.

Крупными разделами биологии являются: микробиология – наука о микроорганизмах и гидробиология – наука об организмах, населяющих водную среду. В пределах крупных разделов биологии сформировались более узкие дисциплины.

Существует также классификация биологических дисциплин по исследуемым свойствам и проявлениям живого. Форму и строение организмов изучают морфологические дисциплины; образ жизни животных и растений и их взаимоотношения с условиями внешней среды – экология; различные функции живых существ изучает физиология животных и физиология растений; предметом генетики является изучение закономерностей наследственности и изменчивости. Каждая из этих крупных дисциплин, в свою очередь, делится на ряд более частных.

По изучаемому структурному уровню живого различают молекулярную биологию, затем учение о клетке, или цитологию, учение о тканях, или гистологию, учение об органах, или органологию.

По преобладающим методам различают описательную (например, морфологию), экспериментальную (например, физиологию) и теоретическую биологию.

2. СВЯЗЬ БИОЛОГИИ С СОСЕДНИМИ НАУКАМИВ самых разных областях биологии (в таксономии, морфологии, физиологии, генетике и др.) все возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с соседними науками – биохимией и биофизикой.

А) БиохимияБиологическая химия, или биохимия, называемая также физиологической химией, изучает химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности человека, животных, растений и микроорганизмов. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, лежащий в основе формы движения материи, называемой жизнью.

Уже со времен глубокой древности люди были знакомы со многими биохимическими процессами, лежащими в основе различных производств: хлебопечении, сыроварении, виноделии, выделке кож и т. д. Стремление повысить урожайность полей и использовать различные растения для изготовления пищи, лекарств, красок, тканей, пряностей приводило к необходимости изучать составные части растений и влияние различных веществ на их развитие и рост. Борьба с болезнями приводила к необходимости изучать процессы, происходящие в теле здорового и больного человека, а также влияние на него различных целебных средств.

В древности и Средневековье сведения о составе организмов и о происходящих в них процессах были весьма ограничены. В Средние века начинается применение химических методов к изучению растений, животных и человека. Со второй половины ХV в., с эпохи Возрождения, на основе развития экспериментальной химии начинается изучение химического состава организмов и происходящих в них превращений веществ. Открытие в 1748 г. М. В. Ломоносовым закона сохранения веществ и движения явилось началом новой эры в науке, началом внедрения точных количественных методов в естествознании вообще и в химии и физиологии в частности.

Дальнейшее внедрение химии в биологию привело в конце XIX в. к обособлению и развитию биологической химии как самостоятельной научной дисциплины. Она развивалась на основе успехов органической химии, расширения круга изучаемых ею природных веществ и усовершенствования методов синтеза органических соединений. Само название – биологическая, или физиологическая химия – отражает специфику этой науки. Поскольку в основе всех проявлений жизнедеятельности, всех функций организма лежит обмен веществ, биохимия – один из важнейших разделов науки о жизни – биологии. Как по своему историческому развитию, так и по существу своего содержания и применяемых методов, биологическая химия теснейшим образом связана с физиологией – наукой, изучающей закономерности явлений жизни.

Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их взаимосвязь и взаимообусловленность, физиологическую роль отдельных веществ в жизни организмов, процесс биосинтеза сложного органического вещества из простейших веществ, а также биохимические превращения растительных и животных остатков (образование илов, торфа, минерализацию органических остатков).

Крупнейшей проблемой современной биохимии является вопрос о связи процессов обмена веществ с теми или иными физиологическими функциями организма. Исследование биохимических превращений в организме должно быть неразрывно связано с выяснением условий, при которых возникает и развивается та или иная физиологическая функция. Это направление в современной биохимии получило название функциональной биохимии.

Развитие органического мира, наследственность, изменчивость, образование новых видов – все эти основные проблемы биологической науки могут быть изучены и подчинены воле человека только на основе глубоких биохимических исследований, выяснения закономерностей обмена веществ и сдвигов, происходящих в нем под влиянием внутренних условий и условий внешней среды.

В процессе развития науки острая борьба развертывалась в свое время вокруг вопроса о возможности синтеза различных органических соединений чисто химическими методами. Идеалисты утверждали, что подобные соединения могут быть синтезированы только в организмах животных и растений. Однако вскоре химики синтезировали вне организма многие соединения, играющие важную роль в обмене веществ, такие, как сахара, мочевина, жиры и др. Основой для синтезов подобного рода послужила теория органических соединений, созданная великим русским химиком Бутлеровым. На этой основе было синтезировано множество самых разнообразных соединений, начиная с простейших спиртов, кислот, эфиров и т. п. и кончая такими, как углеводы, витамины, минеральные вещества и др.

Химики-органики и биохимики осуществили полный химический синтез одного из простейших белков – инсулина – гормона, выделяемого поджелудочной железой человека и животных, а также фермента рибонуклеоды и нуклеиновых кислот. Замечательные успехи были достигнуты за последние годы в расшифровке структуры нуклеиновых кислот и роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как «вещества наследственности». Было установлено, что определенные участки молекулы ДНК содержат гены, в которых «записана» (закодирована) программа для синтеза в организме тех или иных белков и нуклеиновых кислот.

Вслед за американским химиком Г. Корана с сотрудниками, которые впервые синтезировали гены, кодирующие биосинтез некоторых рибонуклеиновых кислот, были осуществлены синтезы различных генов. Так, например, произведен химический синтез гена, кодирующего биосинтез такого важного белка, как интерферон, – белка, защищающего человека от вирусных инфекций и некоторых форм рака. В результате всех этих исследований открываются исключительные перспективы для расшифровки молекулярных механизмов наследственности и применения результатов фундаментальных исследований в медицине, сельском хозяйстве и различных отраслях промышленности.

Биохимия имеет большое практическое значение для медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей промышленности. Исключительно важная роль биохимических процессов во многих отраслях промышленности, занимающихся переработкой сырья растительного или животного происхождения, необходимость научного обоснования и усовершенствования технологии привели к созданию технической биохимии, включающей биохимию зерна и хлебопечения, виноделия, чайного производства и т. д.

Биохимия растений, изучающая химический состав растительных организмов и протекающие в них биохимические процессы, имеет большое значение для растениеводства и ряда отраслей пищевой промышленности. Ее значение для растениеводства заключается прежде всего в том, что изучение процессов обмена веществ у растений позволяет управлять развитием растительных организмов. Установление в растениях закономерностей синтеза углеводов, белков, жиров, витаминов, алкалоидов и других соединений дает возможность создавать для соответствующих сельскохозяйственных культур условия, обеспечивающие получение наибольшего количества данного вещества. Направленное изменение биохимическими методами обмена веществ приводит к созданию новых форм растительных организмов, наиболее ценных в хозяйственном отношении.

Селекция новых сортов многих растений целиком основана на применении биохимических методов, с помощью которых определяют содержание в данном сорте того или иного вещества: белка, сахара, масла, крахмала, витаминов и т. д. При этом особое значение имеет разработка новых, быстрых и вместе с тем достаточно точных экспресс-методов количественного определения в растительном сырье того или иного вещества.

Сложной и ответственной задачей, стоящей перед биохимией растений, является глубокое изучение обмена веществ у растений и отдельных их органов – семян, клубней и т. д., а также влияние на него различных факторов внешней среды. Это имеет большое значение для понимания тех процессов обмена веществ в хранящемся растительном сырье (зерне, плодах или овощах), от которых зависят стойкость данного сырья во время хранения и величина потерь. Велика роль биохимии в усовершенствовании технологических процессов пищевой промышленности и создании новых схем и принципов переработки пищевого сырья растительного происхождения.

В каждой из отраслей пищевой промышленности ведется большая исследовательская работа, в которой существенную роль играют биохимики. Благодаря глубоким биохимическим исследованиям ученых удалось весьма существенно рационализировать многие технологические процессы, а некоторые отрасли промышленности создать совершенно заново. В табачной промышленности в течение длительного времени ферментация табака производилась лишь в строго определенное время года, когда температурные условия позволяли осуществить этот важный процесс сырьевой обработки табака. Профессор А. И. Смирнов на основе глубокого изучения биохимических процессов, протекающих во время ферментации, а также условий, способствующих осуществлению этих процессов, разработал совершенно новый метод внесезонной ферментации табака.

Внесезонная ферментация дала табачной промышленности чрезвычайно большую экономию. Примером важности биохимических исследований для усовершенствования технологических процессов в пищевой промышленности служат также работы в области биохимии чайного производства.

Была вскрыта сущность биохимических процессов, протекающих во время переработки чайного листа, и их влияние на качество готовой продукции. На основе этих исследований удалось усовершенствовать технологию чайного производства и внедрить на чайных фабриках систему биохимического контроля, дающую возможность получать чай более высокого качества. Не менее существенна роль биохимических процессов в таких отраслях пищевой промышленности, как мукомольная, хлебопекарная, витаминная, консервная, винодельческая, пивоваренная, спиртоводочная.

Витаминная промышленность – это отрасль, полностью основывающаяся на биохимии как в изыскании сырьевых ресурсов, так и в технологии, а также применении витаминов. В консервной промышленности весьма нежелательными являются некоторые биохимические процессы, приводящие к разрушению витаминов и ухудшению потребительских достоинств продукта. Ряд технологических приемов, применяемых при консервировании, направлен именно на предотвращение подобного рода процессов.

Чрезвычайно тесно связаны с биохимией все отрасли пищевой промышленности, основанные на использовании различных видов брожения. Весьма характерно, что ведущий цех современного завода шампанских вин носит название биохимического.

Следовательно, роль биохимии в ряде отраслей пищевой промышленности, занимающихся переработкой растительного сырья, весьма существенна.

Б) Биология и математика

Биология и математика – что может быть общего у этих столь различных областей знания? Математика – абстрактная наука о числах с ее интегралами, дифференциалами, матрицами и множествами, биология – наука о жизни во всем многообразии ее проявлений: от субклеточных и клеточных структур до популяций и биогеоценозов. Совершенно ясно, что специфика и многообразие живой природы таковы, что никакие математические построения отразить их не в состоянии.

Большинство ученых до начала XX в. считали, что между биологией и математикой лежит если не пропасть, то, по крайней мере, труднопреодолимая преграда. Правда, отдельные физики и математики делали попытки в этом направлении. Это и Леонардо да Винчи, рассмотревший в рамках еще зарождавшейся в XV-XVI вв. механики движение животных, и выдающийся математик XVIII в. Л. Эйлер, создавший математическую модель сердца. Более близки по времени к нам работы по физиологии зрения и слуха знаменитого физика XIX в. Г. Гельмгольца. Однако во всех этих случаях биологическая основа рассматривалась учеными лишь как повод для разработки новых математических методов. Но еще в XIX в. биология начала превращаться из науки наблюдательной в науку экспериментальную.

До середины XIX в. ученые-естествоиспытатели были, по сути дела, натуралистами. Своей основной задачей они считали наблюдение за живыми организмами, описание и систематизацию всего их многообразия. По мере решения этих задач биологи все глубже и интенсивнее вторгались в область эксперимента. В результате было накоплено большое количество фактов той степени точности и абстрактности, которая допускает применение математического аппарата. Первоначально биологи применяли в основном методы математической статистики для обработки результатов своих экспериментов.

Следствием этого было создание целого научного направления – биометрии. В дальнейшем биометрическое направление существенно преобразилось, что связано с более широким распространением методов многомерных статистик. Сейчас математическая статистика используется как средство, позволяющее корректно спланировать эксперимент и получить с наименьшими затратами труда и средств достоверную количественную информацию об изучаемом объекте. Теоретической основой для такого подхода стала новая отрасль статистики – теория планирования оптимального эксперимента.

И все же, хотя эта теория и позволяет получать количественные зависимости между изучаемыми явлениями, такие модели большей частью оказываются формальными и дают возможность скорее управлять процессами, чем познавать их механизмы. Более содержательны такие математические модели, которые отражают структуру и внутренние связи исследуемых процессов и явлений, раскрывают их движущие силы и законы функционирования.

Одним из первых приемов именно такого подхода к применению математики в биологии оказалась генетика. Уже работы основоположника этой науки Г. Менделя стали прекрасной иллюстрацией того, каким плодотворным может быть применение математических идей для проникновения в самую суть биологических явлений. Сформулированные на строгом математическом уровне, законы наследования Г. Менделя лежат в основе современной генетики, являющейся, пожалуй, наиболее математизированной из всех биологических дисциплин.

В ХХ в. началось бурное вторжение математических методов и идей в биологические исследования. На службу биологии «приняты» и алгебра, и теория вероятностей, и математическая статистика, и дифференциальное и интегральное исчисление, и теория конечных результатов. С полным основанием можно говорить о возникновении особой отрасли биологической науки – математической биологии.

В) Биология и сельскохозяйственные наукиТесно и широко взаимодействует биология с сельскохозяйственными науками.

Человек, как гетеротрофный организм, неспособен усваивать солнечную энергию, поступающую на Землю. Необходимые для питания белки, жиры, углеводы, витамины человек получает в основном от культурных растений и прирученных животных. Знание законов генетики и селекции, а также физиологических особенностей культурных видов позволяет совершенствовать агротехнику и зоотехнику, выводить более продуктивные сорта растений и породы животных. Уровень знаний в области биогеографии и экологии определяет возможность и эффективность интродукции и акклиматизации полезных видов, борьбы с вредителями посевов, с паразитами сельскохозяйственных животных.

Биохимические исследования позволяют полнее использовать получаемые органические вещества растительного и животного происхождения. Разработка новых методов селекции, теории гетерозиса, получение организмов с заранее заданными свойствами, совершенствование методов биологической борьбы с вредителями, перевод лесного хозяйства, звероловства, промыслов (охоты, рыболовства) на научную основу – эти и многие другие задачи могут быть решены только при активном сотрудничестве биологов разных специальностей с практиками сельского хозяйства, лесного дела, охотоведами, звероводами и др.

Г) Биология и медицинаОчень тесно биология связана и с медициной. Успехи и открытия биологии определили современный уровень медицинской науки. Дальнейший прогресс медицины также основан на развитии биологии. Представления о макро- и микроскопическом строении человеческого тела, о функциях его органов и клеток опираются на биологические исследования. Гистологию и физиологию человека, которые служат фундаментом медицинских дисциплин – патанатомии, патофизиологии и других, изучают как медики, так и биологи. Учение о причинах и распространении инфекционных болезней и принципах борьбы с ними основано на микробиологических и вирусологических исследованиях.

Представления о механизмах иммунитета, лежащего в основе сопротивляемости организма инфекциям, также опираются на биологические исследования. Особое значение для медицины играет исследование тканевой несовместимости – главного препятствия для пересадки органов и тканей. Подлинная революция в лечении инфекционных заболеваний, служивших в прошлом основной причиной смертности, связана с открытием антибиотиков. Использование в медицине веществ, выделяемых микроорганизмами для борьбы друг с другом, – крупнейшая заслуга биологии ХХ в. Массовое производство дешевых антибиотиков стало возможным лишь после выведения высокопродуктивных штаммов продуцентов антибиотиков, достигнутого методами современной генетики.

Над проблемой рака единым фронтом работают цитологи, эмбриологи, генетики, биохимики, иммунологи, вирусологи.

Генетика человека, в том числе медицинская генетика, изучающая наследственно обусловленные заболевания, становится сейчас важным объектом медико-биологических исследований. Уже поддаются точному диагнозу болезни, связанные с нарушением числа хромосом. Генетический анализ позволяет обнаруживать у человека вредные мутации. Борьба с ними ведется путем лечения и медико-генетических консультаций и рекомендаций. Все большее внимание привлекает проблема психического здоровья человечества, решение которой невозможно без глубокого естественно-исторического биологического анализа нервной деятельности, ведущего в психике. Выделение среди биологических дисциплин этологии – науки о поведении – существенно приближает решение этой сложнейшей и важнейшей проблемы.

3. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

3.1 Признаки живогоПризнаки (свойства) живой материи

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.

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 — постоянстве своего химического состава и интенсивность обменных процессов.

Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать неопределенные 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.

9. Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез — индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.

Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез — историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.

Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть 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; другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов.

Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) до биосферы в целом все живое находится в определенной соподчиненности. Функционирование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации ее структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, которая складывается из биогеоценозов – областей с характерными природными условиями, заселенными определенными комплексами (биоценозами) организмов. Биоценозы состоят из популяций – совокупностей животных и растительных организмов одного вида, живущих на одной территории. Популяция состоит из особей. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими отраслями современной биологии.

А) Молекулярный уровеньНа молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, вирусологией, микробиологией изучаются физико-химические процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.).

На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществами, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Изучено строение ряда белков и некоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическая энергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.) и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.).

Крупный успех биологии – открытие генетического кода. Наследственные свойства организма «записаны» в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), четырьмя видами чередующихся в определенной последовательности мономеров – нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам.

Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифунгирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хромостография). Взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений, содержащих радиоактивные атомы.

Б) Клеточный уровеньПри переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определенным образом подобранных и ориентированных молекул, биология поднимается на следующий уровень организации жизни – клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их разделы, а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка – основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются ее компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и ответственные за сохранение и передачу дочерними клетками наследственных свойств.

Энергетический обмен в клетке – дыхание, синтез АТФ и пр. – происходит в митохондриях. Поддержание химического состава клетки, активный транспорт веществ в нее и из нее, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функционирующее сочетание нескольких тканей – орган. Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития.

При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски. Электронная микроскопия позволяет различать очень мелкие структуры, вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма.

В) Организменный уровеньНа уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи и определяющие согласованное функционирование ее органов и систем. Этот уровень исследуют физиология, эндокринология, иммунология, эмбриология и многие другие отрасли биологии. На этом уровне изучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную, эндокринную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и т. д. В организме функции разных органов связаны между собой: сердце – с легкими, одних мышц с другими и т. д.

В значительной мере эта взаимосвязь частей организма определяется функцией желез внутренней секреции. Так, поджелудочная железа и надпочечники через гормоны – инсулин и адреналин – регулируют накопление гликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципу обратной связи – одна железа (например, гипофиз) активирует функцию другой (например, щитовидной железы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постоянную концентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желез.

Еще более высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с ее центральными отделами, органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организм получает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатывается центральной нервной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма. Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получили электрофизиологические методы. Исследование высшей нервной деятельности животных и человека включает ее моделирование, в том числе с применением кибернетики.

На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли биологии изучают элементарную единицу эволюционного процесса – популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определенную территорию и в большей или меньшей степени изолированную от соседних таких же совокупностей. Подобная составная часть вида способна длительно существовать во времени и пространстве, самовоспроизводиться и трансформироваться. В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в нее организмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу.

Единство популяции определяется потенциальной способностью всех входящих в ее состав особей скрещиваться, а значит – и обмениваться генетическим материалом. Половое размножение, характерное для большинства обитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетического строения всех членов популяции, так и возможность многократного увеличения генетического разнообразия.

Для организмов, размножающихся бесполым путем (посредством вегетативного размножения), морфологическое единство популяций определяется общностью их генетического состава. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано и с молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами.

Г) Биоценотический и биосферный уровниНа биогеоценотическом и биосферном уровнях объектом изучения биогеоценологии, экологии, биогеохимии и других отраслей биологии служат процессы, протекающие в биогеоценозах (экосистемах) – элементарных структурных и функциональных единицах биосферы.

Каждая популяция существует в определенной среде и составляет часть многовидового сообщества – биоценоза, занимающего определенное место обитания – биотип. В этих сложных комплексах живых компонентов первичными продуцентами органического вещества служат фотосинтезирующие растения и хемосинтезирующие бактерии. Биогеоценозы – это те «блоки», в которых протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот. Обмен веществ между биогеоценозами осуществляется в газообразной, жидкой, твердой фазах. С биогеохимической точки зрения, миграции вещества в целях биогеоценозов могут рассматриваться как серии сопряженных процессов рассеивания и концентрирования вещества в организмах, почвах, водах и атмосфере.

Важное практическое значение приобрело во второй половине ХХ в. изучение биологической продуктивности биогеоценозов. Необходимость самостоятельного изучения биогеоценотического уровня организации живого обуславливается тем, что биогеоценозы – среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете. На этом уровне проводятся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения входящих в биогеоценозы компонентов, выясняющие миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических круговоротов. Такой широкий подход, дающий возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека, получает распространение и в форме Международной биологической программы, призванной координировать усилия биологов многих стран.

Концентрация биологических исследований по уровням организации живого предполагает взаимодействие различных отраслей биологии, что обогащает смежные науки новыми идеями и методами.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕБиология представляет собой огромную совокупность множества фактов и теорий о живых организмах. Чтобы как-то упорядочить этот необозримый материал, обычно принято отделять изучение растений от изучения животных или рассмотрение структуры организма от исследования его функций. Но поскольку у растений и животных, несмотря на все различия, есть очень много общего, то лучше подразделять биологию в соответствии с различными уровнями организации живого. Первые биологи занимались изучением целых организмов. Изобретение микроскопа и его применение подготовили почву для появления клеточной теории. Усовершенствование электронного микроскопа и разработка методов фиксации тканей и ультратонких срезов привели к открытию уровня субклеточной организации. Быстрое развитие химических и физических методов, которые привели к расшифровке генетического кода и процессов синтеза специфических белков, составили область молекулярной биологии. Высший уровень организации биологических систем – это уровень популяций и их взаимоотношений с окружающей средой.

Результаты исследований биологов используются во многих областях знаний, прежде даже весьма далеких от биологии. Так, широко используется микробиология для получения новых высокоэффективных лекарственных соединений, для разработки рудных месторождений с помощью микроорганизмов.

В последние сто лет биология развивалась поистине поразительными темпами. За это время сформировались такие ее разделы, как цитология, генетика, теория эволюции, биохимия, биофизика, экология. Открытия в области химии, физики и других наук дали толчок развитию биологии, и наоборот.

Мультимедийный отчёт по экскурсии в зоопарк ТГУ им Г. Р. ДержавинаПрезентация

Фильм

Создание проекта

Тема проекта:

Творческое название:

Авторы:

Тип проекта

Возраст участников проекта:

Сроки проведения:

Предметная область:

Аннотация:

Образовательные цели:

Развивающие цели:

Воспитательные цели:

Основополагающий вопрос:

Проблемные вопросы темы: (1-5)

Гипотезы:

Темы исследовательских работ:

Структура учебно-методического пакета:

Этапы разработки проекта:

Защита проекта, выводы:

Тема: КлеткаКлетка – это ….

Две формы клеточной организации живой материи.

Прокариотическая клетка.

Эукариотическая клетка

Значение клетки

Человечество с древнейших времен занималось выпечкой хлеба, пивоварением и приготовлением вина.

Однако до определенного момента никто даже не подозревал, что сбраживание сусла, виноградного сахара и мучной кашицы – дело «рук» невидимых невооруженным глазом живых существ – микробов.

Бактерии имеют настолько крохотные размеры (наиболее крупная бактерия Achromatium oxaliferum имеет длину всего 125 мкм, что об их существовании длительное время не было ничего известно, хотя многие выдающиеся ученые прошлого догадывались о том, что процессы гниения, брожения, «повальные» болезни вызываются невидимыми живыми организмами. Так, Гиппократ (460-377 гг. до н. э.) разработал миазматическую теорию происхождения инфекционных болезней. Итальянский врач Д. Фракастро (1478-1553) утверждал, что «повальные болезни передаются от человека к человеку мельчайшими живыми существами – «контагиями». Но это были всего лишь предположения без доказательств.

И вот на помощь пришел Его Величество Случай. В небольшом голландском городке Делфт местный купец Антони ван Левенгук (1632-1723) проводил большую часть своего свободного времени, разглядывая разнообразные предметы в микроскоп собственного изготовления. Правда, по современным понятиям этот аппарат с одной линзой и системой микровитков микроскопом назвать трудно. Тем не менее это сооружение давало увеличение, кратное 280 раз.

Однажды, разглядывая каплю дождевой воды под линзой, Левенгук обнаружил в ней целое полчище маленьких живых существ, совершавших разнообразные беспорядочные передвижения. Но это были всего лишь инфузории, относящиеся к классу Protozoa. Настоящих бактерий он впервые увидел в 1683 г., когда рассматривал в микроскоп налет с собственных зубов. По результатам своих наблюдений в 1695 г. Левенгук опубликовал книгу «Arcana naturae detecta ab Antoni van Leeuwenhoek» (Тайны природы, открытые Антони Левенгуком). С тех пор начался так называемый микрографический, или описательный, период истории развития науки о микробах – микробиологии. Интерес к открытию А. Левенгука в то время был настолько велик, что изучением «анималькулей» занимались даже венценосные особы: король Пруссии Фридрих I, королева Англии и царь Петр I (Р. Реннеберг, И. Реннеберг, 1991).

2. СИСТЕМАТИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Систематика – наука, занимающаяся вопросами классификации, номенклатуры и идентификации живых организмов, в том числе и микробов.

Развитие систематики микроорганизмов шло параллельно с накоплением знаний о них и открытием новых форм бактерий.

В 1886 г. немецкий биолог Э. Геккель предложил выделить одноклеточные организмы в особое царство – Protista (т. е. первосущества).

Далее произошло разделение царства на высших протист (клетки которых сходны с клетками животных) и низших (строение клеток которых значительно отличается от всех других микроорганизмов). В современном виде такое разделение сохранилось: высшие протисты входят в состав царства Eycaryotae, низшие – в Procaryotae. И это не случайно, т. к. прокариотическая клетка имеет ряд существенных отличий от эукариотической:

1) в клетке прокариот отсутствуют организмы, заключенные в специальные мембраны (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, хлоропласты);

2) прокариоты не способны к фагоцитозу и пиноцитозу;

3) у прокариот отсутствуют актиновые микрофиламенты и микротрубки;

4) отсутствуют внутренние токи цитоплазмы;

5) геном прокариот локализован в одной хромосоме (хотя ее копий может быть несколько);

6) содержат один тип рибосом с константой седиментации (осаждения) 7О S;

7) имеют ряд структурных компонентов, которые отсутствуют у эукариот: жгутики, пили, эндогенные споры, капсула.

Названия бактерий, как и названия животных и растений, принято обозначать согласно разработанной еще в XVIII в. шведским ботаником Карлом Линнеем бинарной номенклатуре, т. е. название должно состоять из двух слов: первое обозначает род и характеризует какой-либо признак или фамилию ученого, открывшего микроб; второе – производное от существительного, обозначающего видовой признак. Например, кишечная палочка будет называться так: Esherichia coli – первое слово – это фамилия ученого, описавшего бактерию, Эшерих; второе обозначает, что микроб – обитатель кишечника (греч. colon – кишечник). В современном виде систематическое положение бактерий выглядит так:

Империи:

Неклеточные (Noncellulatae),

Царство: Vira (вирусы)

Клеточные (Cellulata),

Царства: Procaryotae

Отделы: Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes;

Царства: Eycaryotae

Отдел Gracilicutes включает грамотрицательные микроорганизмы, разделенные на 9 секций.

Отдел Firmicutes включает грамположительные палочки кокки и пити, имеет в секции Ф.

Отдел Tenericutes. В данном отделе объединены грамотрицательные бактерии без клеточной стенки 2 секции.

Отдел Mendosicutes. В отдел отнесены прокариоты, не патогенные для других организмов, – архебактерии. Каждая секция, в свою очередь, подразделяется на классы, порядки, семейства, роды, виды. Необходимо отметить, что современный вид классификация микробов приобрела благодаря американскому систематику Д. Х. Берги, который выпустил международный определитель микроорганизмов.

Для определения положения того или иного микроба в предложенной классификации необходимо знать основные свойства изучаемой бактерии: морфологию, подвижность, отношение к анилиновым красителям и культурально-биологические свойства.

Биология – химический состав клеткиМакро и микроэлементы клетки.

Неорганические соединения: вода, соли.

Органические вещества:

Их роль в процессе обеспечения жизнедеятельности клетки.

Центральное значение химических процессов в органической жизни ни у кого не может вызвать сомнения. Такова природа самого явления органической жизни как более высокой формы движения материи по сравнению с химической формой движения. Органическая жизнь возникла именно на основе развития химической формы движения без каких-либо промежуточных форм. Поэтому химия имеет непосредственное отношение к жизни. По химическому составу живая материя очень сильно отличается от неживой материи земной коры.

Какие химические элементы и в каких соотношениях обнаруживаются в клетках? Как они туда попали? Каким образом обнаруживаемые в живых клетках молекулы оказались приспособленными для выполнения своих функций? Чтобы попытаться ответить на эти вопросы, мы должны рассмотреть биомолекулы с тех же позиций, что и небиологические молекулы, используя принципы и подходы, принятые в классической химии. Одновременно следует также охарактеризовать биомолекулы с биологической точки зрения – в свете представлений о том, что различные типы молекул в живой материи связываются друг с другом и взаимодействуют, подчиняясь законам, которые мы называем в совокупности молекулярной логикой живого.

Химический состав живой материи отличается от химического состава земной коры. Для различных форм живого необходимы лишь 27 из 92 природных химических элементов, присутствующих в земной коре. Основные из них – это элементы, входящие в состав органического вещества:

- углерод С, водород Н, кислород O, азот N, фосфор P и сера S;

элементы, встречающиеся в виде ионов:

- натрий Na+, калий K+, магний Mg2+, кальций Ca2+ и хлор Cl-;

микроэлементы:

- железо Fe, медь Cu, цинк Zn, марганец Mn, кобальт Co, йод I, молибден Mo, ванадий V, никель Ni, хром Cr, фтор F, селен Se, кремний Si, олово Sn, бор B и мышьяк As.

Большинство встречающихся в живой материи элементов имеют сравнительно небольшие порядковые номера, и лишь у трех из них порядковые номера превышают 34. Более того, соотношение этих химических элементов в живых организмах совсем иное, чем в земной коре. В живых организмах в наибольших количествах встречаются четыре элемента – водород, кислород, углерод и азот; в большинстве клеток на их долю приходится более 99 % общей массы. Относительное содержание трех из этих элементов – водорода, азота и углерода – в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре.

Различия в элементарном составе земной коры и живой материи станут еще более явными, если при сравнении учитывать только вес сухого вещества живых организмов, исключив из рассмотрения воду, на долю которой приходится более 75 % их общего веса. В живых клетках углерод составляет 50-60 % сухого вещества, азот – 8-10 %, кислород – 25-30 % и водород – 3-4 %. В земной же коре на долю углерода, водорода и азота, вместе взятых, приходится менее 1 % ее общей массы. Вместе с тем, восемь из десяти элементов, содержащихся в организме человека в наибольших количествах, входят в число десяти элементов, которые в наибольших количествах присутствуют в морской воде. Исходя из этих данных, можно сделать два рабочих допущения. Согласно первому из них, химические соединения, содержащие углерод, водород, кислород и азот (наиболее распространенные в живой природе элементы), были отобраны в ходе эволюции благодаря их особой приспособленности для участия в процессах жизнедеятельности. Второе допущение состоит в том, что морская вода была именно той жидкой средой, в которой живые организмы впервые появились на ранних этапах развития Земли.

- Основные элементы

Водород, кислород, углерод и азот способны образовывать прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Кислород, углерод и азот образуют и одинарные, и двойные связи, благодаря чему получаются самые разнообразные химические соединения. Химические свойства живых организмов в значительной степени зависят от углерода, на долю которого приходится более половины их сухого веса. Для заполнения внешней электронной оболочки атому водорода не хватает одного электрона, атому кислорода – двух, атому азота – трех и атому углерода – четырех электронов. Таким образом, при взаимодействии атома углерода с четырьмя атомами водорода «обобществляются» четыре электронные пары, в результате чего возникает соединение метан (СН4), в котором каждая общая электронная пара соответствует одной одинарной связи.

Углерод может образовывать одинарные связи также и с атомами кислорода и азота. Однако наиболее важное значение в биологии имеет способность атомов углерода «делиться» электронными парами друг с другом, что приводит к формированию очень устойчивых одинарных углерод-углеродных связей. Каждый атом углерода может образовать одинарную связь с одним, двумя, тремя или четырьмя другими атомами углерода. Кроме того, два углеродных атома, соединяясь друг с другом, могут «обобществить» две пары электронов; при этом образуется двойная углерод-углеродная связь.

Благодаря описанным свойствам, ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур: линейные и разветвленные цепи, циклические и сетчатые структуры, а также их комбинации. Все эти структуры лежат в основе скелетов многочисленных органических молекул самых разных типов. К таким углеродным скелетам могут присоединяться другие атомные группы, что обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом и серой. Вещества, имеющие скелеты из ковалентно связанных углеродных атомов, называются органическими соединениями, причем их разнообразие практически безгранично.

Поскольку большинство биомолекул относятся к органическим соединениям, можно предположить, что способность углерода участвовать в формировании разнообразных химических связей сыграла решающую роль в выборе именно углеродсодержащих соединений для создания молекулярных механизмов клеток в процессе возникновения и эволюции живых организмов. Особенно важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом путем возникновения ковалентных углерод-углеродных связей. Каждый углеродный атом может установить ковалентные связи с четырьмя атомами углерода. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко вступают в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

Макроэлементы

Кроме четырех основных элементов, в клетке в заметных количествах (десятые и сотые доли процента) содержатся натрий, калий, кальций, хлор, фосфор, сера, железо, магний. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, ионы Na+, К+ и Cl- обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфор участвуют в формировании костной ткани, обеспечивая прочность кости. Кроме того, кальций – один из факторов, влияющих на процесс свертывания крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, – связывающего кислород. Магний в клетках зеленых растений – компонент хлорофилла – пигмента, обеспечивающего преобразование солнечной энергии в энергию химических связей (фотосинтез), в клетках животных находится в составе ряда ферментов.

- Микроэлементы

Остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор и др.) содержатся в живых организмах в очень малых количествах – в общей сложности до 0,02 %. Они встречаются главным образом в специализированных клетках, где участвуют в образовании биологически активных веществ. Так, цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы инсулина, регулирующего углеводный обмен, йод – компонент гормона щитовидной железы тироксина, регулирующего интенсивность обмена веществ и рост организма в процессе развития. Все химические элементы находятся в организме либо в виде ионов, либо входят в состав тех или иных соединений – молекул неорганических и органических веществ.

- Вода

Из неорганических соединений самое распространенное в живых организмах – вода. Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70 % и более. Ее содержание в клетках разного типа колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов воды около 10 %, а в клетках развивающегося зародыша – более 90 %. В теле медузы воды до 98 %. Кроме того, первые живые организмы возникли, вероятно, в первичном океане, так что вода – это по существу прародительница всего живого.

Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены к физическим и химическим свойствам воды. Более того, клетки научились использовать уникальные свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.

Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации – ионы Н+ и ОН- – оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких, как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН-.

Среди других химических веществ живой клетки преобладают органические соединения. Они составляют в среднем 20-30 % массы организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, аминокислот, нуклеотидов, АТФ и др. В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров. Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами.

Неорганические молекулы живого вещества

Химию живых существ – животных, растений, бактерий и грибов – отличают две особенности: во-первых, живые существа состоят главным образом из воды и, во-вторых, молекулы химических веществ, свойственных только живому, имеют углеродные «скелеты».

Рассмотрим общую картину строения вещества, причем в первую очередь воду и углеродсодержащие компоненты живого.

1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КЛЕТКИВ земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только 16 из них.

- Главные элементы. Ионы. Микроэлементы органических молекул.

Н водород, Na+ натрий, Mn марганец, B бор, С углерод, Mg2+ магний, Fe железо, Al алюминий, N азот, Cl хлор, Co кобальт, Si кремний, О кислород, К+ калий, Cu медь, V ванадий, Р фосфор, Са2+ кальций, Zn цинк, Mo молибден, S сера, J йод.

(Элементы, перечисленные в трех первых строках, встречаются во всех организмах. По А. Lehninger, Biochemistry, Worth, N.Y., 1970).

Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99 % как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3, 4.

- I. МАКРОЭЛЕМЕНТЫ

Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99 % всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, углерода, азота, водорода (98 % всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, такие элементы, как калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор.

- II. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ

К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 % до одной миллионной %, в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и другие.

- III. УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ

Концентрация их не превышает одной миллионной %. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных и в клетках бактерий пока устанавливается. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие редкие элементы.

2. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КЛЕТКИОбнаружено, что некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомовые водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т. д. Элементарный состав организмов и химический состав окружающей среды существенно отличается. Например, кремния в почве около 33 %, а в растениях лишь 0,15 %, кислорода в почве около 49 %, а в растениях 70 % и т. д. Это указывает на избирательную способность организмов использовать только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три группы.

Химические элементы, которые входят в состав клеток и выполняют биологические функции, называются биогенными.

Все химические элементы в виде ионов либо в составе тех или иных соединений участвуют в построении организма. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров.

В составе белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот – азот, фосфор, железо, участвующие в построении молекулы гемоглобина; магний находится в составе хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных клеток и нервных волокон; цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина; кобальт находится в составе витамина В12.

3. ЗНАЧЕНИЕ УГЛЕРОДАУглерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии – органическая химия. В чем заключаются уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому что в его ядре обращается шесть электронов. Ядро содержит еще и шесть нейтронов, так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществленные электроны), и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона).

Значение углерода определяется тем, что он способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так и с атомами других элементов.

Углерод обладает способностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы образуют стабильные цепи или кольца. Именно этой стабильностью углерода и объясняются в первую очередь чрезвычайно разнообразные органические соединения: С-С-связи можно рассматривать как скелет органических молекул.

Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р., S. Соединение с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие органических соединений.

Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие кратные связи:

Двойные связи )C=С( )С=О )С=N-

Тройные связи -C C- -C N

Соединения, содержащие двойные связи (=) или тройные () углерод-углеродные связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые (одинарные) углерод-углеродные связи.

Суммируем важные химические свойства углерода:

1. Его атомы сравнительно малы, атомная масса невелика;

2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи;

3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей и колец;

4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с кислородом и азотом.

Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул. Разнообразие проявляется в размере молекул, определяемых их углеродным скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной форме молекул, определяемой геометрией, т. е. углами связей.

4. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНЫМногие элементы в клетке содержатся в виде ионов – это катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3+) и анионы (Cl-, HPO42-, H3PO4-, HCO3-, NO3-) минеральных солей. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде резко различна. Внутри клетки присутствуют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется разность зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между ними возникает разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы, как передача возбуждения по нерву или мышце.

Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства реакций среды в клетке и в окружающих ее растворах, т. е. являются компонентами буферных систем. Наиболее значимая буферная система млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная.

Фосфатная буферная система состоит из H2PO4- и HPO42- и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 – 7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из H2CO3 и HCO3- и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма.

Некоторые неорганическое ионы (например, ионы кальция и магния) являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. При недостатке этих ионов нарушаются жизненно важные процессы в клетке.

Немаловажные функции в живых организмах выполняют неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость, способствуя выведению из организма. Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

5. ВАЖНАЯ РОЛЬ ВОДЫБез воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих еще и среда обитания.

Химические и физические свойства воды довольно необычны и связаны главным образом с малыми размерами ее молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет небольшой положительный заряд, а другой – отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны водородных атомов. В результате между молекулами воды возникает электростатическое взаимодействие, а поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы склонны «склеиваться». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Учитывая данную особенность воды, можно рассмотреть ее биологическое значение.

Вода – превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие, как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг от друга) в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (у сахаров и спиртов это ОН-группы).

Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление ее «клейкости».

Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью, и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Для воды характерна большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения (или относительная скрытая теплота испарения) есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии. Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды – вещества со столь малыми молекулами – необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепеке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Скрытая теплота плавления (или относительная скрытая теплота плавления) есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток. Вода – единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твердом.

Поскольку лед плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на ее поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоемах вообще не могла бы существовать. Лед покрывает толщу воды как одеялом, что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в ней. Это важно в условиях холодного климата и в холодное время года, но, несомненно, особенно важную роль это играло в ледниковый период. Находясь на поверхности, лед быстрее и тает. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4 град., поднимаются вверх, обуславливает их перемещение в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоемы заселяются живыми организмами на большую глубину.

У воды большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия – это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение – результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (в идеале – форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды. Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

- ВОДА КАК РЕАГЕНТ

Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, т. е. участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

- ВОДА И ПРОЦЕСС ЭВОЛЮЦИИ

Роль воды для живых организмов находит свое отражение, в частности, в том, что одним из главных факторов естественного отбора, влияющих на видообразование, является недостаток воды (ограничение распространения некоторых растений, имеющих подвижные гаметы). Все наземные организмы приспособлены к тому, чтобы добывать и сберегать воду; в крайних своих проявлениях – у ксерофитов, у обитающих в пустыне животных и т. п. Такого рода приспособления представляются подлинным чудом «изобретательности» природы.

6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ВОДЫУ всех организмов:

1) обеспечивает поддержание структуры (высокое содержание воды в протоплазме);

2) служит растворителем и средой для диффузии;

3) участвует в реакциях гидролиза;

4) служит средой, в которой происходит оплодотворение;

5) обеспечивает распространение семян, гамет и личиночных стадий водных организмов, а также семян некоторых наземных растений, например кокосовой пальмы.

У растений:

1) обуславливает осмос и тургесцентность (от которых зависит многое: рост (увеличение клеток), поддержание структуры, движения устьиц и т. д.);

2) участвует в фотосинтезе;

3) обеспечивает транспорт неорганических ионов и органических молекул;

4) обеспечивает прорастание семян – набухание, разрыв семенной кожуры и дальнейшее развитие.

У животных:

1) обеспечивает транспорт веществ;

2) обуславливает осморегуляцию;

3) способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка);

4) служит одним из компонентов смазки, например в суставах;

5) несет опорные функции (гидростатический скелет);

6) выполняет защитную функцию, например в слезной жидкости и в слизи;

7) способствует миграции (морские течения).

7. РОЖДЕНИЕ ВОДЫГлубоко проникает в тьму времен острый луч прожектора науки. Но время образования нашей планеты безмерно далеко. Луч слабеет, дрожит и колеблется... Возникла Земля из огненного солнечного вещества или из газо-пылевого облака? Горячая или холодная была сначала Земля? От решения этой проблемы зависит и решение вопроса о происхождении воды.

По представлениям О. Ю. Шмидта, в первоначальной стадии образования Земли молекулы воды намораживались на твердые частицы уплотнявшегося газо-пылевого облака. Потом, под влиянием радиоактивных процессов, Земля стала разогреваться. Накопившееся тепло начало «изгонять» воду из недр Земли. Количество воды на поверхности планеты с течением времени увеличивалось, потекли реки, образовались океаны и моря. Сторонники этой гипотезы считают, что нарастание гидросферы продолжается и поныне. Мировой океан медленно поглощает сушу.

Существует и противоположная точка зрения. На Земле развиваются геологические процессы, химически связывающие воду. В глине, например, химически связано 14 % воды, а в гипсе – 21 %. Вода в подобных случаях связана «навеки», если не произойдет катастрофы, которая ввергнет эти породы в подкорковую зону земного шара, в зону огромных давлений и высоких температур. Академик Ф. Ю. Левинсон-Лессинг считал, что эти геологические процессы «прочат полное обезвоживание поверхности Земли, уничтожение всего живущего и печальную физиономию Луны». К этому же заключению, видимо, но из других соображений, присоединяется аргентинский геолог Гейнсгеймер. Он полагает, что Земля заметно теряет воду при разложении паров в верхних слоях атмосферы на кислород и водород, которое происходит под влиянием космических лучей, причем водород безвозвратно уносится в мировое пространство.

Однако из всех гипотез наиболее убедительно выглядит гипотеза В. И. Вернадского. Он считал, что количество воды на поверхности Земли остается неизменным, а моря, заливавшие временами сушу во время даже самых мощных океанских трансгрессий, – это только «всплески всемирного океана».

В настоящее время советские ученые установили, что, действительно, в верхних слоях атмосферы происходит разложение водяных паров на кислород и водород. Но убыль воды от этого ничтожна. На протяжении всей истории Земли она могла вызвать понижение уровня океана всего на 2-3 м. Голландский геолог Ф. Кюэнен сделал интересный расчет, касающийся выделения первичной или, как говорят, ювенильной воды, происходящего при вулканической деятельности. Так вот, оно составляет около 1/25 км3 в год. Следовательно, со времени палеозоя, за последние 270 млн лет, количество воды, освободившееся из недр Земли, составляет незначительную долю общей массы океанской воды.

Однако вернемся к вопросу о происхождении воды на Земле. Намораживание ее молекул на твердые частицы холодной Земли не объясняет происхождения этих молекул, следовательно, и самой воды. Гораздо правдоподобнее другая гипотеза.

В бурных реакциях созидания, происходивших в плазме солнечного вещества новорожденной Земли, наряду с прочими элементами, металлами и минералами возникли и пары воды. При остывании планеты они низвергались на ее поверхность и образовали гидросферу.

По мнению академика Д. И. Щербакова, вода более или менее ровным слоем покрывала первоначально всю планету. Затем во впадинах образовались моря и океаны, потекли реки, а после того, как слой рыхлых осадков покрыл первозданные скалы, медленно стали сочиться подземные воды. Итак, надо думать, что земная кора и вода образовались почти одновременно, а общая масса воды на нашей планете практически неизменна, и потому Матушке-Земле не грозит ни всемирный потоп, ни превращение в безводную пустыню.

8. КРУГОВОРОТ ВОДЫМежду судьбами капель воды и судьбами людей есть нечто общее. Как бы велико ни было число тех и других, судьбы у всех у них разные. Если бы проследить за жизнью одной единственной молекулы воды со времени ее образования и до наших дней, можно было бы написать самую увлекательную сказку для детей или не менее увлекательный роман для взрослых.

Вместе с миллионами других молекул она точила и растворяла первозданные горы, в виде тончайших кристаллов тысячи лет хранилась в высокогорных ледниках, совершила не одно кругосветное путешествие вместе с морскими течениями, затопляла села и города во время наводнений, плавала в облаках над поверхностью океанов и материков, разбивала корабли о прибрежные скалы, обильно насыщала влагой древние папоротниковые деревья, современные пальмы и сосны; каплей росы она сверкала на душистых лепестках розы, струилась в термах Помпеи и акведуках Карфагена, взращивала посевы и питала виноградную лозу; вместе с хмелем она дурманила голову человеку, несла жизнь усталому путнику в безводной пустыне и умерщвляла человека, растворяя таинственные средневековые яды семейства Борджиа.

Посмотрим, какими путями движется вода на Земле в наше время.

Первоисточник воды на нашей планете – Мировой океан. Преодолевая силу тяжести, мощная тепловая машина, приводимая в движение энергией Солнца, ежегодно поднимает с поверхности всего земного шара в атмосферу 511 тыс. км3 воды. 411 тыс. км3 поднимается с одной только поверхности океана; из них примерно две трети возвращается в виде атмосферных осадков обратно в океан. Это малый круговорот воды на Земле.

Оставшаяся треть испарений уносится ветрами с поверхности океана на сушу. Она присоединяется к водяным парам, поднимающимся в атмосферу с растительного покрова, из почвы и водоемов суши. Одна треть – это, кажется, не так уж много. Но если бы океан этой третью не пополнял убыль воды, стекающей в него с суши, материки давно превратились бы в пустыни.

На суше в виде осадков ежегодно выпадает примерно 100 тыс. км3 воды. Здесь путь воды длиннее, разнообразнее и сложнее. Часть воды после дождя сейчас же возвращается в атмосферу, особенно если это происходит летом или в засушливых южных странах. Выпал, например, в пустыне ночной дождь. Дневное жаркое солнце накалило и высушило песок, а с наступлением ночной прохлады вода, испарившаяся днем, опять вернулась на землю в виде росы.

Вот первые капли дождя упали на жаждущую влаги почву. Вода просачивается сквозь поры сначала быстро, потом медленнее. Сила тяжести влечет ее все ниже и ниже, пока на пути не встретится непроницаемый скальный или глинистый пласт. Скопившаяся над ним вода начинает медленно течь в порах грунта вдоль по его уклону. Она может снова выйти на поверхность земли в ближайшем овраге, слиться с другими подземными водоносными слоями в невидимую многоводную «реку» или в углублении водонепроницаемого пласта образовать целое подземное озеро-губку.

Вода проникает в земную кору на глубину сотен и тысяч метров. Извилистыми подземными путями она порой течет на очень дальние расстояния и выходит на поверхность в виде гейзеров, ручьев и болот, питает реки в засушливое время года или прямо стекает в моря и океаны, образуя на дне их удивительные источники пресной воды. Но когда почва, вдоволь насыщенная влагой, отказывается уже принимать дождевую воду, вода стекает по ее поверхности, собираясь в наземные ручейки, образует паводки и, в конечном итоге, опять-таки попадает в океан.

Часть увлажнившей почву воды всасывают корни растений. Насыщенная питательными солями, она поднимается по стволам и стеблям и возвращается в атмосферу через листья в виде водяных паров.

Вода может выпасть на землю в форме снега. Тогда в своем стремлении к океану она задержится до весны. А если снег выпадает на вершины высоких снеговых гор, в Антарктиде или в Гренландии, он может пролежать многие десятки, сотни и даже тысячи лет; с течением времени он превратится в лед медленно сползающих вниз ледников. Как видите, у воды на Земле много путей, и, действительно, нельзя заранее сказать, какая судьба, какой путь – длинный или короткий, прямой или извилистый – предстоит капле воды, покинувшей океан, прежде чем она вернется на свою родину. Это большой круговорот воды на Земле.

Воздух и вода – главные и, пожалуй, единственные вещества неживой природы, подвижные в полном смысле этого слова. Благодаря плотности, во много раз превышающей плотность воздуха, вода выполняет на Земле роль главного транспортного средства. В океанах и морях волны и течения, на суше – реки и ледники переносят огромные количества глины, камней и песка. Движущаяся вода, кроме того, служит единственным средством перемещения для многих живых организмов, не обладающих способностью самостоятельно передвигаться на дальние расстояния. Ветер по сравнению с водой более подвижен, более шумлив, но и более «ленив». Он не в состоянии выполнять и тысячной доли той работы, которую выполняет вода. А между тем своей кинетической энергией вода в основном обязана именно ветру – движению атмосферы. Ветер вздымает волны в океане и возбуждает океанские течения, с усилением ветра увеличиваются испарения, ветер уносит на сушу образовавшиеся над морем облака и питает ими реки.

Впрочем, и океан оказывает большое влияние на движение атмосферы. Летом, например, преобладают ветры со стороны относительно холодного океана в сторону нагретой суши, зимой – наоборот. Над океаном образуются грозные тропические циклоны и воздушные течения.

Круг, таким образом, замыкается. Воздух вызывает движение воды, вода возбуждает движение воздуха. А за этим мощным и непрерывным круговоротом воды, оживляющим нашу планету, стоит величественное Солнце, главный источник энергии и всякого движения на Земле.

9. АСКЕТИЗМ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙДля обитателей пустыни жизнь начинается с наступлением темноты. Днем большинство из них спит, зарывшись в песок или укрывшись от палящих лучей солнца среди скал. Суслики в разгар зноя погружаются в летнюю спячку. Крупные млекопитающие в пустынях отличаются поджарым телом, длинными ногами и быстротой бега. Газели, антилопы, джейраны, куланы и другие копытные животные в поисках пищи и воды способны за несколько часов покрывать огромные расстояния. Рябки носят в зобу для своих птенцов по полстакана воды. Глаза, уши, нос у животных защищены от песка. У верблюда, например, такие ресницы, которым может позавидовать любая киноактриса. У сайги широко расставлены и сдвинуты назад ноздри, чтобы при щипании травы в них не попадал песок. Многие животные в пустыне имеют темную окраску, что предохраняет их от ультрафиолетовых лучей; некоторые, например газели, обладают такой защитной окраской, что их не отличишь от песка и камня. Хищники в пустыне пополняют запас влаги в организме кровью своей добычи.

Существуют обитатели пустынь, которые совсем не пьют. Они получают влагу из корней и клубней растений, которые употребляют в пищу, а некоторые отчасти или даже полностью компенсируют расход влаги метаболической водой. Так называют воду, образующуюся внутри организма при обмене веществ, при расщеплении и окислении белков, углеводов (крахмала) и жиров.

Хорошо всем известная ковровая моль живет без воды, в то же время в отложенных ею яичках вода составляет 80 % от их веса.

Тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса совершенно не нуждаются в воде не только в природных условиях, но и в неволе. На каждую калорию тепловой энергии, освобождающейся при окислительных процессах, в организме кенгуровой крысы выделяется от 0,09 до 1,3 г метаболической воды. Как и все животные, тушканчики и кенгуровые крысы теряют воду при выдохе и вместе с прочими выделениями тела, но их организм приспособился выделять вдвое меньше воды, чем у других животных такого же размера, например у обыкновенной крысы. Благодаря этому для нормального существования им совершенно достаточно метаболической воды, хотя они, конечно, пользуются и влагой растений. Кстати заметим, что организм человека тоже вырабатывает воду, но не более 0,5 л в сутки.

В Ливийской пустыне среди скал и отмерших кустарников водятся тысячи змей. Эти змеи пьют росу, а выделение влаги у них, как у всех змей, в 10 раз меньше, чем у теплокровных животных. Для человека, оказавшегося в пустыне, содержащаяся в их теле жидкость может заменить воду. Людям в виде опыта при температуре воздуха около 40 град. давали в сутки по 1,5-2,5 л жидкости, извлеченной из тела змеи. Если не считать очень большой слабости, на вторые сутки подвергнутые испытанию чувствовали себя относительно хорошо.

У человека потеря влаги в организме влечет за собой сгущение крови; у верблюда, потерявшего при испытании 50 л влаги, что составило 20 % его веса, количество крови уменьшилось всего на 1 л. Верблюд теряет влагу главным образом за счет жидкости, содержащейся в тканях и в связках его тела, что, очевидно, не так опасно, как потеря влаги из крови.

У человека, как мы уже знаем, температура в сухой жаркой пустыне поднимается днем только на 1 град., после чего терморегулирующий аппарат организма удерживает ее на одном уровне путем обильного выделения пота. У верблюда в жаркий день температура поднимается от 34 град. утром до 40-41 град. днем и только после этого начинает работать «водный» аппарат терморегуляции. Безвредный для организма перегрев на 6-7 град. дает возможность верблюду экономнее расходовать влагу. Что же касается запаса воды в верблюжьем желудке, то оказалось, что его нет. При вскрытии в пазухах желудка была обнаружена жидкость, по составу близкая к крови и желудочным сокам. Она имела дурной запах и вкус, но, конечно, в крайнем случае могла пригодиться и для питья. Взамен воды у верблюда в горбах запасен жир, как и у курдючных овец, у которых жир откладывается в хвостах. Этот жир служит одновременно и запасом пищи, и источником метаболической воды.

Приспособились к недостатку воды и растения в пустыне. Годами могут лежать в сухом песке семена. Первый дождь воскрешает их, но большинство из них живут недолго. Это так называемые эфемеры, жизнь их коротка. Кочевники-скотоводы в Сахаре все время меняют свои становища в поисках районов, где выпал случайный дождь и где на несколько недель после этого зацветает высушенная солнцем и, казалось, совершенно мертвая до этого земля.

На пустынном мексиканском плоскогорье растут кактусы. Вот как описывают эти удивительные растения Ильф и Петров: «Целый лес кактусов торчал из песка по обе стороны дороги. Их ветви, такие же толстые, как сам ствол, казались искалеченными в пытке, как бы обрубленными до локтя, растопыренными руками». Человеку, идущему ночью при лунном свете через лес кактусов, кажется, что он окружен чудовищами, которые вот-вот растерзают его своими страшными когтями. Когти-шипы отпугивают от растения животных, которые в ином случае совершенно уничтожили бы эти зеленые бочки с драгоценной в пустыне влагой. Кактус содержит 96 % воды, а благодаря строению своего тела он умеет ее хранить круглый год, несмотря на то, что три четверти года здесь не бывает дождей.

Весной пустыня Карру, как и многие другие пустыни, расцветает. К ней устремляются стада антилоп, полосатых зебр и стаи длинноногих страусов. Откуда же берутся на такой почве и в таком климате растения? Здесь это большей частью многолетние растения – яркие амариллисы, кринумы и другие луковичные. В засушливый период они бережно хранят жизнь в луковицах, скрытых под землей и облаченных кожицей, которая защищает их от жары и потери влаги.

Типичная для всех пустынь растительность – чахлые деревья и сухие кустарники, защищенные от животных иглами. Корни их глубоко протянулись в землю в поисках грунтовой воды и широко раскинулись у самой поверхности, чтобы не пропустить ни одной капли влаги, которую случится обронить на землю заблудившейся тучке.

Аскетизм организмов в пустыне – свидетельство неистощимой способности живой природы приспосабливаться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В состав организмов входит более половины элементов периодической системы Менделеева, причем около 20 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток.

Клетки сходны не только по строению, но и по химическому составу. Клетки всех живых организмов содержат хотя и неодинаковые, но сходные вещества в близких количествах. Сходство в строении и химическом составе у разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Органические веществаСреди других химических веществ живой клетки преобладают органические соединения. Они составляют в среднем 20-30 % массы организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, аминокислот, нуклеотидов, АТФ и др. В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров. Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами.

- Белки

На долю белков приходится основная часть живой материи в клетках. Термин «протеин» (белок) происходит от греческого слова proteios, означающего «первый» или «главный». У всех живых организмов белки являются прямыми продуктами гeнов и эффекторами их действия. Многие белки обладают специфической каталитической активностью и функционируют как ферменты. Белки других типов играют роль структурных элементов в клетках и тканях. Ряд белков, присутствующих в мембранах клеток, способствуют транспорту некоторых веществ внутрь клеток и наружу. В осуществлении множества других биологических функций также участвуют белки – пожалуй, наиболее универсальные в этом отношении биомолекулы.

- Нуклеиновые кислоты

Особая роль в развитии всего живого принадлежит нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты присутствуют во всем живом и выполняют роль хранилищ генетической информации. Наиболее крупные и необычные молекулы, которые можно обнаружить в живых организмах, – это нуклеиновые кислоты. Они были открыты в ходе активного изучения живой материи, которое велось при помощи химических методов в конце XIX в. Швейцарский биохимик Фридрих Мишер первым обнаружил соединения кислотной природы, связанные с белками клеточного ядра. Он нашел эти соединения в ядрах клеток гноя и в спермиях (мужских половых клетках). Впоследствии Мишер установил, что эти вещества заметно отличаются от белковых и других соединений. Поскольку их обнаружили в клеточных ядрах (ядро – нуклеус), они получили название «нуклеиновые кислоты».

О широком распространении таких соединений в живой природе вначале не знали, однако по мере изучения все новых и новых видов растений, животных и микроорганизмов стало ясно, что все они содержат нуклеиновые кислоты. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные сведения говорят о том, что нуклеиновые кислоты являются молекулами, осуществляющими первичный контроль над всеми важнейшими процессами жизнедеятельности во всех организмах. Это позволяет предположить, что нуклеиновые кислоты играли сходную роль и в жизни примитивных форм организмов.

По мере усовершенствования методов анализа, появилась возможность сравнить нуклеиновые кислоты разных организмов. К удивлению химиков и биологов, оказалось, что нуклеиновые кислоты самых разнообразных живых существ (от вирусов до зеленых растений, животных и человека) очень сходны. Из других опытов удалось выяснить, что нуклеиновые кислоты имеются не только в ядре клетки, но и в других ее частях. Термин «нуклеиновые (ядерные) кислоты» все же применяется, хотя он и не совсем точен. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачу по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке.

Белки обуславливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток. Существует два важнейших типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). РНК отличается от ДНК тем, что в ее состав входит другой тип сахара и основание урацил вместо тимина. ДНК и РНК во всех клетках выполняют одни и те же функции, обеспечивая хранение, передачу и реализацию генетической информации. ДНК служит хранилищем генетической информации, а различные типы РНК способствуют ее реализации в процессе синтеза белков.

Все нуклеиновые кислоты образуются из восьми различных повторяющихся структурных единиц – нуклеотидов; четыре из них играют роль структурных единиц ДНК, а другие четыре используются при построении РНК. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из трех более мелких единиц:

1) азотистого основания;

2) пятиуглеродного сахара;

3) фосфорной кислоты.

Словом, все многообразие живых организмов зависит от последовательности размещения в молекуле ДНК четырех структурных единиц – нуклеотидов.

- Полисахариды

Полисахаридам присущи важные биологические функции. Крахмал и гликоген используются как временные депо глюкозы. Нерастворимые полимеры углеводов выполняют функции структурных и опорных элементов в клеточных стенках бактерий и растений, а также в соединительной ткани и оболочках клеток животных. Полисахариды других типов служат в качестве смазки в суставах, обеспечивают слипание клеток и придают биологическую специфичность поверхности животных клеток.

- Липиды

Липиды, к которым относятся жиры и жироподобные вещества, во-первых, играют роль основных структурных компонентов мембран и, во-вторых, служат запасной формой богатого энергией «горючего».

4. МАКРОМОЛЕКУЛЫ И ИХ СОСТАВЭти четыре наиболее важных класса биомолекул имеют одно общее свойство: все они представляют собой относительно крупные структуры с высокими молекулярными массами и потому называются макромолекулами. Молекулярные массы различных белков лежат в пределах от 5000 до 1 млн. У некоторых нуклеиновых кислот молекулярные массы достигают нескольких миллиардов. Полисахариды, например крахмал, также имеют высокие молекулярные массы порядка миллионов. Размеры отдельных липидных молекул значительно меньше (мол. масса 50 – 1500). Однако обычно липидные молекулы объединяются друг с другом и образуют очень крупные структуры, которые включают тысячи молекул и функционируют, по существу, как макромолекулярные системы (такая система служит, в частности, «основой» клеточных мембран). Таким образом, мы можем отнести подобные липидные структуры к макромолекулам.

Макромолекулы образуются из небольших молекул, играющих роль строительных блоков. Хотя в живых организмах содержится множество различных белков и нуклеиновых кислот, построение этих сложных структур основано на весьма простых принципах. В качестве строительных блоков, из которых состоят все белки и нуклеиновые кислоты, используются простые молекулы; число этих молекул невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Молекулы всех белков, представляющие собой длинные цепи, построены всего из 20 разных аминокислот, расположенных в той или иной линейной последовательности. Из одних и тех же строительных блоков разные организмы способны вырабатывать такие разнообразные продукты, как ферменты, гормоны, белок хрусталика глаза, перья, паутина, панцирь черепахи, белки молока, энкефалины (наркотики, вырабатываемые самим организмом), антибиотики, ядовитые вещества грибов и многие другие соединения, наделенные специфической биологической активностью.

Аналогичным образом длинные, напоминающие цепи, молекулы нуклеиновых кислот у всех организмов построены из небольшого числа нуклеотидов, образующих различные последовательности. Белки и нуклеиновые кислоты являются информационными макромолекулами; каждый белок и каждая нуклеиновая кислота несут определенную информацию, закодированную в последовательности строительных блоков. Полисахариды также состоят из большого числа строительных блоков. Крахмал и целлюлоза, например, представляют собой длинные цепи строительных блоков одного типа, а именно – сахара глюкозы. Поскольку полисахариды построены из структурных единиц только одного типа или из чередующихся единиц двух типов, они не могут нести закодированную генетическую информацию. Таким образом, более 90 % сухого органического вещества в живых организмах составляют тысячи разнообразных макромолекул, построенных всего лишь из трех-четырех десятков различных видов простых органических молекул.

Молекулы, используемые в качестве строительных блоков, имеют простую структуру. В белках строительными блоками служат 20 различных аминокислот; все они содержат карбоксильную группу и аминогруппу, связанные с одним и тем же атомом углерода. Аминокислоты отличаются друг от друга строением только одной части молекулы, а именно боковой группы, обозначаемой обычно символом R.

Наиболее часто встречающиеся в природе полисахариды, крахмал и целлюлоза состоят из повторяющихся единиц D-глюкозы. Липиды также построены из сравнительно небольшого числа типов органических молекул. Большинство молекул липидов содержат одну или несколько длинноцепочечных жирных кислот, производных пальмитиновой или олеиновой кислот.

Кроме того, многие липиды содержат спирты, например глицерин, а некоторые еще и фосфорную кислоту. Таким образом, большая часть биомолекул построена примерно из трех десятков органических соединений. Все эти соединения выполняют самые разнообразные функции в живых организмах.

Жирные кислоты – это компоненты не только сложных липидов клеточных мембран, но и жиров – богатых энергией соединений, обеспечивающих накопление запасного «топлива» в организме. Кроме того, жирные кислоты входят в состав защитного воскового налета на листьях и плодах растений, а также служат предшественниками других специализированных соединений.

Аминокислоты – это не только строительные блоки белков; некоторые из них могут быть нейромедиаторами (нейротрансмиттерами) и предшественниками ряда гормонов, а у растений – токсичных алкалоидов. Аденин служит строительным блоком нуклеиновых кислот, некоторых коферментов и АТФ-соединения, выполняющего роль переносчика энергии в клетках. Таким образом, биомолекулы, играющие роль строительных блоков, являются, по существу, предшественниками или родоначальниками большинства других биомолекул. Поэтому мы можем рассматривать их как молекулярный алфавит живой материи. К этим простым органическим веществам нельзя относиться без некоторой доли благоговения и восхищения – ведь они были отобраны в процессе эволюции и стали участниками столь необычных и уникальных взаимоотношений, совокупность которых мы называем молекулярной логикой живых организмов.

Исходя из всего сказанного выше, можно с уверенностью считать, что, несмотря на многообразие живых организмов в природе, все они находятся в непосредственном родстве друг с другом. И, несмотря на то, что у современной науки существует много версий о происхождении жизни на Земле, все современные живые организмы, вероятнее всего, являются потомками одного общего предка.

Химический состав клеток

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Сходство в строении и химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Одни элементы содержатся в клетках в относительно большом количестве, другие - в малом. Особенно велико содержание в клетке четырех элементов - кислорода, углерода, азота и водорода (до 98%). Сера, фосфор, хлор, калий, магний, натрий, кальций, железо составляют вместе 1,9%. Все остальные элементы содержатся в клетке в исключительно малых количествах (меньше 0,01%). В живых телах наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержится много веществ, характерных только для живых организмов.

Вода составляет почти 80% массы клетки. Ей принадлежит существенная многообразная роль в жизни клетки. Она определяет физические свойства клетки - ее объем, форму, упругость. Вода участвует в образовании структурных молекул органических веществ, в частности структуры белков. Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки. Вода является непосредственным участником многих химических реакций (расщепление белков, углеводов, жиров и др.).

Биологическая роль воды определяется особенностью ее молекулярной структуры, полярностью молекул воды. Частица воды - диполь: в области атомов водорода (протона) преобладает положительный заряд, а в области атомов кислорода - отрицательный. Этим объясняется способность воды к ориентированию в электрическом поле и присоединению к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд, с образованием гидратов. Много веществ способно растворяться в воде: соли, кислоты, щелочи, а из органических веществ - многие спирты, амины, углеводы, белки и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными веществами (греч. “гидрос” - вода, “филео” - люблю). Жиры, клетчатка и другие вещества плохо или вовсе не растворяются в воде, их называют гидрофобными (греч. “гидрос” - вода, “фобос” - страх, ненависть). Гидрофильность объясняется наличием групп атомов, способных вступать с молекулами воды в электростатическое взаимодействие или образованием с ними водородных связей. Гидрофильные вещества - это соли, углеводы, белки, низкомолекулярные органические соединения. Многие жиры - гидрофобны. Гидрофобные вещества входят в состав клеточных мембран, обусловливая их полупроницаемость.

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны такие катионы, как K+, Na+, Ca2+, Mg2+, из анионов - HPO42-, Cl-, HCO3-. Концентрация анионов и катионов в клетке и среде ее обитания, как правило, резко различна. К примеру, внутри клетки всегда довольно высокая концентрация ионов калия и очень малая - ионов натрия, а в окружающей среде (плазме крови, морской воде) мало ионов калия и много ионов натрия. Пока клетка жива, это соотношение ионов строго поддерживается, а после смерти клетки содержание ионов в среде и клетке выравнивается. Ионы клетки способствуют поддержанию постоянного осмотического давления внутри клетки и рН. В норме реакция клеток слабощелочная, почти нейтральная, обеспечиваемая содержащимися в клетке анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СО3), которые связывают и отдают ионы водорода, в результате чего реакция внутренней среды клетки практически не изменяется. Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Так, прочность и твердость костной ткани обеспечивается фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция. Не все вещества, содержащиеся в клетке, специфичны для живой природы. Вода и соли распространены и вне живого. Но в организмах и продуктах их жизнедеятельности обнаружено большое количество углеродсодержащих соединений, характерных только для живых клеток и организмов, получивших название органических веществ.

Из органических веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки, состоящие из крупных молекул (макромолекул, греч. “макрос” - большой). В состав всех белков входят атомы водорода, кислорода, азота; во многие белки входят еще атомы серы, а в некоторые - атомы металлов железа, цинка, меди. Белки составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки. Белки обладают большой молекулярной массой: молекулярная масса альбумина - одного из белков яйца - 36 000, гемоглобина - 152 000, миозина (одного из белков мышц) - 500 000. Тогда как молекулярная масса спирта - 46, уксусной кислоты - 60, бензола - 78. Среди органических веществ белки самые сложные, они составлены из повторяющихся сходных по структуре низкомолекулярных соединений, ковалентно связанных между собой, которые называются мономерами. Поэтому белки (как углеводы и жиры) являются полимерами. Если обозначить мономер буквой А, то структуру полимера можно изобразить так: А-А-А-А-А. Большинство природных и искусственных (полиэтилен, лавсан, капрон и др.) полимеров построены из одинаковых мономеров. Белки же состоят из сходных, но не вполне одинаковых мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты. Молекула аминокислоты как бы состоит из двух частей: одна часть одинаковая, состоящая из аминогруппы (-NH2) (выделена синим цветом) и находящейся рядом карбоксильной группы (-СООН); другая часть молекулы у всех аминокислот разная (выделена красным цветом) и называется радикалом (R). Имеется много разных аминокислот, но мономерами любых природных белков - животных, растительных, микробных, вирусных - являются только 20 аминокислот (их еще называют “волшебными”). Соединение аминокислот происходит через общие для них группировки: аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой с отщеплением молекулы воды. Между аминокислотами образуется прочная ковалентная связь -NH-CO2-, которая называется пептидной связью. Образовавшееся соединение аминокислот называется пептидом. Пептид из двух аминокислот называется дипептидом, из трех - трипептидом, из многих аминокислот - полипептидом. Все белки представляют собой полипептиды, т.е. цепи из многих десятков и даже сотен аминокислотных звеньев.

Аминокислота Сокращенное название

Аланин Ала

Аргинин Арг

Аспарагин Асн

Аспарагиновая кислота Асп

Валин Вал

Гистидин Гис

Глицин Гли

Глутамин Глн

Глутаминовая кислота Глу

Изолейцин Иле

Лейцин Лей

Лизин Лиз

Метионин Мет

Пролин Про

Серин Сер

Тирозин Тир

Треонин Тре

Триптофан Три

Фенилаланин Фен

Цистеин Цис

Двадцать аминокислот, входящих в состав природных белковКаждый живой организм содержит большое число разнообразных белков, причем каждому виду присущи свойственные только ему белки. Белки различаются по составу аминокислот, числу аминокислотных звеньев, порядку следования в цепи. Поэтому число структурных вариантов достигает астрономических цифр. Последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка определяет его первичную структуру, прочность которой определяется ковалентными связями. Следующий уровень структуры белка определяется степенью закручивания белковой нити в спираль. Между группами -СООН, находящимися на одном витке спирали, и группами -NH2 - на другом витке образуются водородные связи, которые слабее ковалентных, но их большое число обеспечивает образование достаточно прочной структуры. Дальнейшая укладка полипептидной спирали заключается в свертывании полипептидной нити в клубок. Образуется третичная структура белка, специфичная для каждого белка. Третичную структуру поддерживают гидрофобные связи, возникающие между радикалами гидрофобных аминокислот. Эти связи слабее водородных: в водной среде клетки гидрофобные радикалы отталкиваются от воды и слипаются друг с другом. Кроме гидрофобных сил, в третичной структуре существенную роль играют электростатические связи между электроотрицательными и электроположительными радикалами аминокислотных остатков. Третичная структура поддерживается также небольшим числом ковалентных дисульфидных -S-S- связей, возникающих между атомами серы серосодержащих аминокислот. В живой клетке образуются и другие, более сложные формы структуры белка, например, четвертичные, которые обеспечивают полноценную работу белков. Четвертичная структура формируется при соединении нескольких молекул белков. Пептидные цепи, уложенные в виде клубка, называются глобулярными, а в виде нитей - фибриллярными белками.

Под влиянием внешних факторов (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация и иные факторы) слабые связи рвутся и структура белка, а следовательно, и его свойства изменяются. Этот процесс называется денатурацией. Такие изменения структуры белка обычно легко обратимы. Разрыв большого числа слабых связей ведет к необратимой денатурации белка: например, свертывание яичного белка при кипячении. При обратимой денатурации нарушаются слабые связи, которые не затрагивают первичную структуру белка. При денатурации изменяются и свойства белка: он утрачивает растворимость, становится доступным действию ферментов, теряет присущие ему функции. Гормоны также могут оказывать денатурирующее действие. Все особенности белка определяются его первичной структурой, т.е. порядком чередования аминокислот в полипептидной цепи. Способность белков к обратимому изменению структуры в ответ на действие физических и химических факторов лежит в основе важнейшего свойства всех живых систем - раздражимости.

Белки в клетке выполняют важные и многообразные функции. Прежде всего, они выполняют строительную функцию, участвуя в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур. Большое значение имеет каталитическая функция белков. Быстрое расщепление и синтез органических веществ в клетке обеспечивают катализаторы (ускорители реакции) - ферменты, по химической структуре являющиеся белками. Каталитическая активность ферментов исключительно велика: они ускоряют протекание реакций в десятки, сотни миллионов раз. В большинстве случаев ферменты катализируют превращение веществ, размеры молекул которых по сравнению с размерами макромолекулы фермента очень малы. Например, фермент каталаза имеет молекулярную массу 250 000, а пероксида водорода (Н2О2), распад которого катализирует каталаза, всего 34. Это указывает на то, что каталитическая активность фермента определяется не всей молекулой, а только небольшим ее участком - активным центром фермента. Возможность сближения фермента и вещества происходит благодаря геометрическому соответствию структур активного центра фермента и молекулы вещества (они подходят друг к другу, как “ключ к замку”). При денатурации фермента его каталитическая активность исчезает, так как нарушается структура активного центра. Почти каждая химическая реакция катализируется особым ферментом. Число различных реакций в клетке достигает нескольких тысяч, соответственно в клетке обнаружено к настоящему времени более 2 тыс. ферментов. Каждый фермент обеспечивает одну или несколько реакций, которые они катализируют (трансферазы, оксиредуктазы и др.). Многие гормоны являются белками (например, гормон роста, производимый клетками гипофиза - АКТГ; инсулин, глюкагон и т.п.). Белковые и небелковые гормоны способны изменять активность многих ферментов, усиливая или подавляя действие ферментов и тем самым регулируя протекание физиологических процессов в организме.

Весьма важна для жизни клетки сигнальная функция белков. В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку. Двигательная функция белков проявляется в осуществлении различных видов движений (мерцание ресничек простейших, движение жгутиков, сокращение мышц). Движения обусловлены наличием особых сократительных белков. В крови, наружных клеточных мембранах, в цитоплазме и ядрах клеток есть различные транспортные белки, способные присоединять различные вещества и переносить их из одного места клетки в другое. Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его ко всем тканям и органам тела. Белки-транспортеры клеточных мембран обеспечивают активный и строго избирательный транспорт внутрь и наружу клетки сахаров, различных веществ и ионов.

Большое значение имеет защитная функция белков. При введении чужеродных белков или клеток в организм в нем происходит выработка особых белков, которые связывают и обезвреживают чужеродные клетки и вещества. В лимфоидных тканях организма человека (вилочковая железа, лимфатические железы, селезенка) производятся лимфоциты - клетки, способные синтезировать огромное разнообразие защитных белков - антител, носящих название иммуноглобулинов. Антигены, попадающие в организм, вызывают в лимфоцитах синтез антител определенного типа. Практически лимфоциты способны синтезировать антитела на любой антиген, с которым клетка и организм никогда не встречались. Такая защита обеспечивается генами клетки, ответственными за синтез иммуноглобулинов. Защитные белки синтезируются и растениями (флавоноиды, терпены, алкалоиды).

Белки служат одним из источников энергии в клетке (энергетическая функция). При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж (или 4,2 ккал). Белки в клетке распадаются сначала до аминокислот, а затем до конечных продуктов - образуется вода, СО2 и азотистые продукты (аммиак, мочевина и др.) с выделением энергии, используемой клеткой для синтеза новых веществ или на другие нужды. Однако белки используются в качестве источника энергии тогда, когда истощаются другие ее источники (как углеводы и жиры). Часть аминокислот не расщепляется до конечных продуктов, а используется для синтеза новых белков.

Углеводы - органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. Углеводы составляют около 1% массы сухого вещества в животных клетках (в клетках печени и мышц - до 5%). Растительные клетки очень богаты углеводами: в высушенных листьях, семенах, плодах, клубнях картофеля, например, их почти 90%. Общая формула углеводов: Сn(Н2О)n, где n - не меньше трех. Отсюда и название - углеводы. Различают простые и сложные углеводы. Простые углеводы называют монозами (или моносахаридами); сложные углеводы, состоящие из нескольких молекул моносахарида (мономеров), называют полисахаридами (они, как и белки, являются полимерами). Из двух моносахаридров образуется дисахарид, из трех - трисахарид и т.д. Образование сложного углевода из мономеров сопровождается выделением молекулы воды.

Моносахариды - бесцветные вещества, хорошо растворимые в воде, обладают приятным сладким вкусом. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу углевода, различают триозы (содержат 3 атома углерода), тетрозы - 4 атома углерода, пентозы - 5 атомов углерода, гексозы - 6 атомов углерода. Из триоз имеют важное значение молочная и пировиноградная кислоты; из тетроз - эритроза (промежуточный продукт фотосинтеза); из пентоз - дезоксирибоза и рибоза, входящие в состав ДНК, РНК и АТФ; из гексоз наиболее распространены глюкоза, фруктоза и галактоза (общая формула С6Н12О6). Глюкоза - виноградный сахар, чрезвычайно широко распространенный в природе; в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах. Также много в природе фруктозы - в плодах, меде, сахарной свекле, фруктах. Глюкоза входит в состав молочного сахара лактозы. Ди- и трисахариды (сахароза - тростниковый сахар, лактоза, мальтоза и др.) также хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Самым распространенными полисахаридами являются крахмал (у растений), гликоген (у животных), клетчатка (целлюлоза). Древесина растений - почти чистая целлюлоза. Мономером этих полисахаридов является глюкоза. Крахмал - это резервный полисахарид растений, находящийся в виде зернышек; в холодной воде он нерастворим, в горячей образует коллоидный раствор. Гликоген содержится в животных клетках, а также в грибах, дрожжах и т.д. Он играет важную роль в превращениях углеводов в животном организме, накапливается в печени, мышцах, сердце и других органах, является поставщиком глюкозы в кровь. По структуре он напоминает крахмал, но сильнее разветвлен и лучше растворяется в воде. Молекула гликогена состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы. Клетчатка - главный структурный полисахарид клеточных оболочек растений, нерастворима в воде, не имеет разветвлений. Мономерами целлюлозы являются молекулы глюкозы (как в крахмале и гликогене). Однако в молекуле крахмала последовательные молекулы глюкозы соединены a-гликозидными связями, а в молекуле целлюлозы они соединены b-гликозидными связями и не расщепляются ферментами, переваривающими крахмал.

Углеводы играют роль источника энергии для осуществления клеткой различных форм активности. Углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению и в результате превращаются в простые, бедные энергией соединения - оксид углерода и воду (СО2 и Н2О) с высвобождением энергии. При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж (4.2 ккал). Углеводы входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований (структурная функция); принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. В растениях полисахариды выполняют и опорную функцию. Запасающая функция выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных. Кроме того, следует отметить и защитную функцию углеводов. Вязкие секреты (слизь), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеидами). Они предохраняют пищевод, кишки, желудок, бронхи от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов.

Липиды (жиры и жироподобные вещества) нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях - спирте, эфире, хлороформе и др. Они содержатся во всех клетках животных и растений. Содержание жира в клетках невелико и составляет 5-15% сухой массы. Однако в клетках жировой ткани содержание жира составляет иногда 90% от сухой массы. По химической структуре жиры представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Жирные кислоты делятся на две группы: насыщенные, т.е. не содержащие двойных связей, и ненасыщенные (или непредельные), содержащие двойные связи. К насыщенным кислотам относятся, к примеру, пальмитиновая и стеариновая кислоты, а к ненасыщенным - олеиновая. Растительные жиры, или масла, богаты ненасыщенными жирными кислотами, поэтому в подавляющем большинстве случаев они являются легкоплавкими - жидкими при комнатной температуре. Животные жиры при комнатной температуре твердые, так как содержат главным образом насыщенные жирные кислоты. Остаток глицерина, содержащийся в жире, обладает гидрофильными свойствами, остатки же жирных кислот - резко гидрофобны. Если на поверхность воды нанести каплю жира, она растекается по поверхности воды, образуя тончайший слой. В таком слое жира к поверхности воды обращены гидрофильные остатки глицерина, а из воды частоколом торчат вверх углеводородные цепи. Таким образом расположение молекул жира в водной среде самопроизвольно упорядочивается и определяется молекулярной структурой жира.

Кроме жира в клетке обычно присутствует большое количество веществ, обладающих сильно гидрофобными свойствами, по химической структуре сходных с жирами (фосфолипиды, половые гормоны человека и животных эстрадиол и тестостерон и др.). Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей, участвуют в образовании многих биологически важных соединений - в этом состоит их структурная функция. Энергетическая функция липидов заключается в обеспечении клеток необходимой энергией - на их долю приходится 25-30% всей энергии, необходимой организму. При полном распаде 1 г жира выделяется 38.9 кДж (9.3 ккал), что примерно в 2 с лишним раза больше по сравнению с углеводами и белками. Единственной пищей новорожденных млекопитающих является молоко, энергоемкость которого определяется главным образом содержанием в нем жира. Животные и растения откладывают жир в запас и расходуют его в случае необходимости. Это важно для животных, впадающих в холодное время в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания (верблюды в пустыне). Семена многих растений содержат жир, необходимый для обеспечения энергией развивающееся растение. Жиры являются хорошими термоизоляторами вследствие плохой проводимости тепла. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных огромные скопления. Например, у китов слой подкожного жира достигает толщины 1 м. Это позволяет теплокровному животному обитать в холодной воде. Жировая ткань многих млекопитающих играет роль терморегулятора, а жировая прослойка брюшной полости защищает внутренние органы от повреждений. Таким образом осуществляется функция терморегуляции и защитная функция. Жироподобные соединения покрывают тонким слоем листья, предохраняя их от намокания во время дождя.

Нуклеиновые кислоты (лат "nucleus" - ядро) - природные высокомолекулярные соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. Впервые они были выделены в 1869 г. швейцарским ученым Фридрихом Мишером (1844-1895 гг.) из ядер клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, содержащая дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота - РНК, содержащая рибозу. ДНК содержится почти исключительно в ядре клетки, а РНК - и в ядре, и в цитоплазме. Содержание ДНК в ядрах клеток строго постоянно, содержание РНК колеблется. Нуклеиновые кислоты играют важную роль в синтезе белков клетки: они обеспечивают синтез белков той же структуры и того же состава, которые имеются у материнской клетки и передаются дочерним.

По своей структуре молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных друг вокруг друга цепей. Ширина двойной спирали ДНК всего около 0,002 мкм (20 ангстрем), зато длина ее исключительно велика - до нескольких десятков и даже сотен микрометров (длина самой крупной белковой молекулы в развернутом состоянии не превышает 0,1 мкм). Молекулярный вес ДНК гигантски велик: он составляет десятки и даже сотни миллионов (для двойной спирали). На каждую цепь приходится половина веса. ДНК с химической стороны представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит их трех разных веществ: азотистого основания, простого углевода (пентозы) и фосфорной кислоты. При полном гидролизе ДНК расщепляются до пуриновых и пиримидиновых оснований, дизоксирибозы и фосфорной кислоты. Пуриновые и пиримидиновые основания называют азотистыми основаниями. Пуриновые основания - производные пурина. Из них в состав нуклеиновых кислот входят нуклеотиды аденин и гуанин. Пиримидиновые основания, содержащиеся в нуклеиновых кислотах, - нуклеотиды: цитозин и тимин в ДНКа, цитозин и урацил - в РНК. ДНК всего органического мира образованы соединением четырех видов нуклеотидов, которые отличаются только по азотистым основаниям: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц). По размерам А равен Г, а Т равен Ц; размеры А и Г несколько больше, чем Т и Ц. Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

Таким образом, каждая цепь ДНК представляет собой полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания подходят друг к другу настолько близко, что между ними возникают водородные связи. Четко проявляется в их расположении важная закономерность: против А одной цепи всегда оказывается Т на другой цепи, а против Т одной цепи - всегда Ц. Только именно при таком сочетании нуклеотидов обеспечивается, во-первых, одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и, во-вторых, образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей (три водородные связи между Г и Ц и две водородные связи между А и Т). В каждом из этих сочетаний оба нуклеотида как бы дополняют друг друга (дополнение - лат. "комплемент"). Поэтому говорят, что Г является комплементарным Ц, а Т комплементарен А. Если на каком-нибудь участке одной цепи ДНК один за другим следуют нуклеотиды А, Г, Ц, Т, А, Ц, Ц, то на противолежащем участке другой цепи окажутся комплементарные им Т Ц, Г, А, Т, Г, Г. Отсюда следует, что если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи, то по принципу комплементарности становится известным порядок нуклеотидов в другой цепи: число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых, количество аденина равно количеству тимина, а гуанина - количеству цитозина (правила Чаргаффа). Д.Уотсон и Ф.Крик совмествно расшифровали структуру ДНК и предложили ее модель в виде двойной спирали (1953 г.), за что оба были удостоены Нобелевской премии.

Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК и придает молекуле устойчивость, сохраняя в то же время ее подвижность - под влиянием ферментов она легко раскручивается. Под влиянием фермента двойная спираль ДНК начинает раскручиваться с одного конца, и на каждой цепи из находящихся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности: против каждого А встает Т, против Г - Ц и т.д. Синтез новой ДНК идет благодаря деятельности фермента ДНК-полимеразы. ДНК только задает порядок расположения нуклеидов, а процесс репликации - удвоения - осуществляет белок - фермент. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная ДНК. Одна цепь ДНК в каждой вновь образовавшейся молекуле ДНК происходит из первоначальной молекулы, а другая синтезируется вновь. Поскольку раскручивание спиралей, состоящих из многих миллионов пар нуклеотидов, сопряжено с большим количеством вращений и огромными энергетическими затратами, которые невозможны в условиях клетки, то репликация начинается одновременно в нескольких местах молекулы ДНК (к тому же ДНК-полимераза может двигаться только по раскрученным “материнским” нитям и использовать их в качестве матрицы для безошибочного синтеза “дочерних” цепей). Синтез новых цепей ДНК фрагментами называется прерывистым. Важную роль играет слаженность взаимодействия множества белков, участвующих в процессе репликации. Процесс удвоения ДНК происходит в клетке незадолго перед ее делением. Молекула РНК - тоже полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. РНК - однонитиевая молекула, построенная так же, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотидов в РНК тоже четыре, они состоят из азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три азотистых основания такие же, как и в ДНК: А, Г и Ц, однако вместо Т у ДНК в РНК присутствует близкий к нему по строению пиримидин - урацил (У). РНК отличается от ДНК наличием углевода: вместо дезоксирибозы ДНК в РНК присутствует углевод рибоза. Связь между нуклеотидами осуществляется как и в одной из цепей ДНК, т.е. через углевод и остаток фосфорной кислоты. Содержание РНК в клетках сильно колеблется в отличие от содержания ДНК, которое относительно постоянно. При синтезе белка количество РНК более высокое в клетках. По выполняемым функциям выделяют несколько видов РНК. Транспортные РНК (т-РНК) содержатся в основном в цитоплазме клетки. Их функция заключается в доставке аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Молекулы т-РНК - самые короткие и состоят из 80-100 нуклеотидов. На долю т-РНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Рибосомная РНК (р-РНК) - самая крупная, состоит из 3-5 тыс. нуклеотидов, входит в состав рибосомы. На долю р-РНК приходится около 90% от общего содержания РНК в клетке. Информационная РНК (и-РНК), или матричная (м-РНК), находится в цитоплазме и ядре. Ее функция - перенос информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю и-РНК приходится примерно 0.5-1% от общего содержания РНК в клетке. Еще выделяют ядерные, цитоплазматические, митохондриальные РНК, РНК пластид. Все виды РНК синтезируются на ДНК, служащей своего рода матрицей.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) также является нуклеотидом. Она играет важную роль в энергетике клетки. АТФ содержится в каждой клетке животных и растений. Количество АТФ колеблется и в среднем составляет 0,04% (на сырую массу клетки). Наибольшее количество АТФ содержится в скелетных мышцах - 0,2-0,5%. АТФ состоит из азотистого основания (аденин), пентозы (рибоза) и фосфорной кислоты. АТФ отличается от других нуклеотидов тем, что содержит не одну, а три молекулы фосфорной кислоты. Это очень неустойчивая структура: под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между Р и О и к освободившимся связям присоединяется одна или две молекулы воды и отщепляется одна или две молекулы фосфорной кислоты. При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), а при отщеплении двух молекул фосфорной кислоты АТФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Реакция отщепления каждой молекулы фосфорной кислоты сопровождается высвобождением энергии: при гидролитическом отщеплении двух концевых фосфатных групп выход свободной энергии на каждую из них составляет около 30,6 кДж, тогда как при отщеплении третьей фосфатной группы АТФ выделяется только 13.8 кДж. Поэтому принято говорить, что АДФ и АТФ содержат богатые энергией (высокоэнергетические) связи (их часто обозначают знаком ~). Эти связи еще называют макроэргическими. В АТФ имеется две макроэргические связи. Гидролиз АТФ под влиянием фермента происходит следующим образом: АТФ + Н2О =АДФ + Н3РО4. Аденозинтрифосфат мобилен и может доставлять энергию в любую часть клетки. В реакциях с участием АТФ постоянно происходит отщепление фосфорного участка и его присоединение, т.е. АТФ является связующим звеном между дыханием и процессами, требующими затраты энергии; при этом фосфатные группы непрерывно отщепляются и заменяются новыми. Основной синтез АТФ происходит в митохондриях, на синтез АТФ из АДФ затрачивается энергии (поглощается) около 40 кДж (или 10 000 г/кал) на грамм/моль, т.е. энергия снова запасается в АТФ.

Структура и функции клетки

Структура клетки (про- и эукариотической)

Функции клетки

СТРОЕНИЕ ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИРАЗМЕРЫ И ФОРМЫ ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ

Размер прокариотической клетки крайне мал, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом. Основная единица измерения линейных размеров прокариот – микрометр (мкм), а структурных компонентов клетки – нанометр (нм). 1 мкм равен 10 (-6) м, т. е. одной миллионной доле метра, 1 нм = 10(-9) м. Как мы уже упоминали, одна из самых крупных бактерий имеет длину 125 мкм, а одна из самых мелких – Acholeplasma Laidlawi – 0,2 мкм (Громов Б. В., 1985).

Несмотря на все многообразие клеток бактерий, принято выделять 3 основные группы: шаровидные, палочковидные и извитые.

Шаровидные микроорганизмы называются кокками (лат. coccus – зерно). В свою очередь, кокки, расположенные одиночно, называют микрококками, попарно – диплококками, по четыре – тетракокками, цепочкой – стрептококками (греч. streptos – цепь), в виде грозди винограда – стафилококками (греч. staphyle – гроздь). Кокки, образующие скопления в виде пакетов, кубиков или пластин, называются сарцинами (лат. sarcio – связываю).

Палочковидные микроорганизмы имеют осевую симметрию и цилиндрическую форму клетки. Различают 2 типа палочек: спорообразующие и бактерии (греч. bakterion – палочка). Таким образом термин бактерия, распространившийся на все микроорганизмы, в строгом смысле обозначает только одну определенную группу микробов.

Спорообразующие бациллы, у которых диаметр соры превышает толщину клетки, называются клостридиями. В зависимости от расположения палочковидные микробы подразделяют на одиночные; расположенные попарно – диплобациллы, диплобактерии; в виде цепочек различной длины – стрептобациллы и стрептобактерии.

Извитые микроорганизмы имеют спиральную симметрию. В эту группу входят вибрионы, спириллы и спирохеты. Вибрионы (лат. vibrio – извиваюсь) имеют форму запятой. К вибрионам относится возбудитель такой страшной болезни, как холера, – Vibrio cholerae.

Спириллы (лат. spira – изгиб) – микроорганизмы, имеющие форму спирально извитых палочек с 4-6 завитками.

Спирохеты (греч. speria – изгиб, chaite – длинный волос) – клетки, имеющие более 8 спиральных завитков.

УЛЬТРАСТРУКТУРА КЛЕТКИ БАКТЕРИЙБактерии имеют строение, характерное для большинства прокариот. Некоторые ученые предлагают использовать понятие «бактериальная клетка».

В структуре бактериальной клетки выделяют основные и временные компоненты.

К основным компонентам относят клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму, рибосомы, нуклеоид. Временные структуры образуются лишь на определенных этапах жизненного цикла бактерий. К ним относятся капсула, жгутики, пили, споры.

Необходимо отметить, что впервые клеточное строение обнаружил в 1665 г. английский ученый Роберт Гук (1635-1703), занимаясь микроскопированием винной пробки (сделанной из коры пробкового дуба).

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКАКлеточная стенка – это внешняя оболочка клетки толщиной 10-100 нм. У прокариотических организмов она выполняет ряд важных функций: служит внешним каркасом клетки, защищающим ее от повреждающих факторов окружающей среды, придает клетке форму, участвует в обмене веществ (метаболизме), у патогенных бактерий содержит токсические вещества.

Основным компонентом клеточной стенки всех бактерий является муреин (лат. murus – стенка). Это полимер, имеющий два типа связей (гликозидные и пептидные), соединяющих мономерные субъединицы муреина в сетчатую структуру.

В 1884 г. Применен метод окраски бактерий несколькими анилиновыми красителями (генцианвиолет и фуксин), в результате чего одни микробы приобретали фиолетовый цвет, другие – красный.

Секрет окраски заключался в том, что определенная группа бактерий прочно фиксировала на своей поверхности комплекс генцианвиолета и йода и потому окрашивалась в фиолетовый цвет: такие бактерии называют грамположительными. Другие микроорганизмы после действия этилового спирта обесцвечивались и воспринимали цвет дополнительного красителя – красного фуксина: такие микробы принято называть грамотрицательными.

Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет большую толщину (до 100 нм), на 80-90 % она состоит из пептидогликана (Воробьев А. А., 1998). Она плотно прилегает к цитоплазматической мембране. Отличительной особенностью является наличие в клеточной стенке таких микробов тейхоевых кислот – полимеров глицерол- или рибитолфосфата, замещенных различными сахарами и Д-аланином (Готтшалк Г., 1982). Тейхоевые кислоты прочно связаны с пептидогликаном фосфоэфирными мостиками. Именно тейхоевые кислоты обеспечивают биохимическую стабильность клеточных стенок грамположительных бактерий. Содержание тейхоевых кислот в клетке может быть до 50 % (по массе) (Асонов Н. Р., 1997).

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка намного тоньше – 5-15 нм. Пептидогликановый слой очень тонкий – 2 нм, он как бы «плавает» в периплазматическом пространстве, окруженном снаружи внешней мембраной, а внутри цитоплазматической мембраной или плазмолемой.

В мире микробов встречаются формы, полностью лишенные клеточной стенки, – протопласты, сферопласты и L-формы. Утрата клеточной стенки бактериями является следствием действия каких-либо неблагоприятных факторов внешней среды: литических ферментов, антибиотиков пенициллинного ряда, вирусов бактерий – бактериофагов. Протопласты и сферопласты – нестойкие образования, они вскоре погибают. В отличие от них, L-формы устойчивы во внешней среде и способны к самовоспроизводству. Термин «L-формы» предложен английским микробиологом Клинебергер-Нобель в 1935 г.: буква «L» обозначает институт им. Листера (учреждение, где впервые описаны эти организмы) (Зыкин Л. Ф., Васильев Д. А., 2000).

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА (ПЛАЗМОЛЕМА)Цитоплазматическая мембрана – неотъемлемая часть любой бактериальной клетки. Разрушение плазмолеммы неизбежно приводит к гибели микроорганизма. Химический состав цитоплазматической мембраны представлен на 75 % белками и на 15 % липидами (Громов Б. В., 1985). Структурно цитоплазматическая мембрана состоит из трех слоев: двух белковых и между ними идет один липидный (Асонов Н. Р., 1997). В процессе роста клетки цитоплазматическая мембрана способна образовывать выпячивания, или инвагинации, которые называются мезосомами. Назначение мезосом окончательно не выяснено.

Цитоплазматическая мембрана – полифункциональная структура. Она выполняет роль осмотического барьера клетки, благодаря своей полупроницаемости она способна контролировать поступление питательных веществ в клетку, а также является местом протекания различных реакций.

ЦИТОПЛАЗМАТермин «цитоплазма» ввел немецкий ботаник Эдвард Страсбургер (1844-1912). До этого считалось, что основные жизненные процессы протекают в клеточной стенке, а содержимое клетки рассматривалось как «балласт».

Цитоплазма состоит из цитозоля, в котором растворены РНК, ферменты, продукты обмена веществ и структурных элементов (рибосом, включений нуклеоида).

Рибосомы – одна из главных составляющих цитоплазмы у прокариот. Основная функция рибосом – синтез белка. Как уже упоминалось, клетка прокариот имеет константу седиментации – 7O S (скорость осаждения частицы при центрифугировании). Структурно рибосомы делятся на 2 субъединицы: 3O S и 5O S. Каждая субъединица состоит из РНК и белка. Количество рибосом в одной бактериальной клетке может достигать 50 тыс. Поскольку для прокариот характерна ассоциация процессов транскрипции и трансмиссии, то происходит агрегация рибосом в комплексные структуры – полисомы.

Нуклеоид. Ядро у прокариот называется нуклеоидом. Он представляет собой двойную нить ДНК, замкнутую в кольцо, которая в развернутом и деспирализованном виде имеет длину около 1,4 нм, т. е. в 1000 раз превосходит длину самой клетки. Кроме ДНК, в состав нуклеоида входят РНК-полимераза, собственно РНК, основные белки и липиды.

Отличительная особенность нуклеоида прокариот от ядра у эукариотических клеток – отсутствие ядерной оболочки. Однако в большинстве случаев у бактерий обнаруживается уплотнение цитоплазмы, соответствующее центральной ядерной зоне, где сосредоточены связанные с хромосомами продукты обмена веществ.

Геном бактерии заключен в одной хромосоме. Хромосома микроорганизмов всегда связана с цитоплазматической мембраной, при этом число точек прикрепления может быть около 20 и более. У грамположительных бактерий чаще всего наблюдается ассоциация нуклеоида с мезосомой. Такая структура называется нуклеидосомой.

Следует отметить, что, кроме хромосом, у бактерий обнаружены и внехромосомные генетические элементы – плазмиды. Термин дан Д. Ледербергом в 1952 г. Плазмиды представляют собой ДНК, замкнутую в кольцо размером до 5 % от величины хромосомы, и несут гены, придающие бактериям дополнительные свойства.

Включения – это не обязательный компонент бактериальной клетки. Они разнообразны по форме, химическому составу и назначению. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Принято различать 2 типа включений: ограниченные белковой мембраной и лишенные мембран.

Газовые вакуоли относятся к мембранным включениям. Это преимущественно полые цилиндры длиной до 1000 нм и диаметром около 80 нм. Состав газа в вакуолях соответствует газовому составу окружающей среды. Наиболее богата газовыми вакуолями цитоплазма водных бактерий.

Основная масса включений – это запасные питательные вещества. К таким образованиям относят полисахаридные, волютиновые, поли-бета-оксимасляные включения.

Полисахаридные включения бывают размером до 200 нм и лишены мембраны. Накопление полисахаридов обычно стимулируется недостатком азота и регулируется на уровне генома. Аккумулированный полисахарид служит источником энергии и углерода.

Накопление поли-бета-оксимасляной кислоты характерно только для прокариот. Гранулы этого вещества округлены в цитоплазме белковой мембраной. Образующиеся при распаде гранул вещества используются для роста бактериальной клетки.

Конгломераты волютина образованы преимущественно полифосфатами и выглядят в виде округлых телец размером до 1 мкм. Волютин способен раствориться в щелочах и горячей воде. Свое название волютин получил от названия бактерии Spirillum volutans, где, как считали раньше, это вещество способно накапливаться в виде зерен. Намного позже выяснили, что эти зерна состоят из поли-бета-оксимасляной кислоты, а не из волютина.

Основное назначение волютиновых зерен – источник фосфора и энергии.

КАПСУЛАСлизистый слой, покрывающий всю поверхность бактериальной клетки, называют капсулой. Капсулу образуют не все микроорганизмы. В зависимости от толщины слизистого слоя различают макрокапсулу (менее 0,2 мкм), микрокапсулу (более 0,2 мкм). Основное вещество капсулы – полисахариды и фосфаты. Капсула может быть легко отделена от клетки, но это не приводит к ее гибели. Несмотря на это, капсула выполняет важную биологическую роль: защищает от неблагоприятных факторов внешней среды, поглощает влагу, служит средством прикрепления бактерий к субстрату. Обнаружение капсулы – важный видовой признак. Русский микробиолог Н. А. Михин (1872-1946) разработал метод специальной окраски капсул анилиновыми красителями, благодаря которому их можно увидеть в световой микроскоп.

ЖГУТИКЖгутик – орган движения бактерий. Именно благодаря жгутикам бактерии были открыты А. Левенгуком, т. к. движение есть свойство живой материи.

Однако как «орган» бактерий жгутик был впервые обнаружен в 1838 г.

Жгутик не является жизненно важной структурой и поэтому присутствует не у всех микроорганизмов. Длина жгутика может превышать длину клетки и обычно составляет 10-90 мкм.

Жгутик состоит из трех частей: спиральной нити из белка флегелина, крюка и базального тельца.

Спиральная нить имеет Н-конец, обращенный к телу бактерии, и Т-конец, удаленный от тела бактерии. Крюк жгутика – изогнутый белковый цилиндр. Основное его назначение – соединительное звено между базальным тельцем и нитью.

Базальное тельце – сложная структура, состоящая из центральной оси и колец.

Обычно бактерии передвигаются хаотично, но возможно и направленное движение – таксис.

ПИЛИПили (фимбрии) представляют собой прямые тонкие (3-25 нм) полые выросты длиной до 15 мкм на поверхности бактериальной клетки. Основу пилей составляет белок пилин. Различают два типа пилий: общего назначения и половые (sex-пили). Пили общего назначения предназначены для прилипания микробов к субстрату (клеткам растений, грибов, животных и человека, а также неорганическим соединениям).

Половые пили необходимы бактериям для обмена генетической информацией (ДНК) между клеткой-донором и клеткой-реципиентом.

Термин «пили» был предложен американским микробиологом Ч. Бринтоном, а «фимбрии» – англичанином Д. Дьюгидом (Асонов Н. Р., 1997).

СПОРЫ И СПОРООБРАЗОВАНИЕСпоры образуют только грамположительные палочки (исключение – округлый микроб Sporosarcina ). Наиболее точно называть их эндоспорами. Споры рассматриваются как особый тип покоящихся клеток. Одна клетка образует только одну спору.

Увеличения организмов в данном случае не происходит, поэтому спорообразование не является размножением бактерий. Это всего лишь сохранение жизнеспособности в неблагоприятных условиях (при недостатке влаги, источников энергии, изменении рН). Строение спор однотипно у всех бактерий.

В центре располагается спороплазма, содержащая нуклеиновую кислоту, белки и специфическую для спор дипиколиновую кислоту. Спороплазма окружена многочисленными оболочками, самая массивная из них носит название «кортекс». Спорообразование – сложный и многоступенчатый процесс. Схематично его можно отобразить следующим образом:

1) образование осевого тяжа, включающего бактериальную ДНК;

2) образование круглой проспоры;

3) образование толстого муреинового слоя – кортекса;

4) окончательное обособление споры.

Весь процесс спорообразования занимает 8 ч.

Изучение строения и функций прокариотической клетки – это результат длительных и кропотливых исследований, проведенных не одним поколением микробиологов.