13. peatükk. JA JÄLLE ELLU- JA ELLUMATerialast Kõik avastused ja järeldused energia jäävuse ja entroopia suurenemise, vaba energia ja katalüüsi kohta saadi elutu maailma uurimise põhjal. Ma kulutasin kogu raamatu esimese poole nende mehhanismide kirjeldamisele ja selgitamisele ainult neile

ELU KORRALDUSE TASANDID

Elav loodus on terviklik, kuid heterogeenne süsteem, mida iseloomustab hierarhiline organisatsioon. Under süsteem, teaduses mõistavad nad ühtsust või terviklikkust, mis koosneb paljudest elementidest, mis on omavahel korrapärases suhetes ja ühenduses. Peamised bioloogilised kategooriad, nagu genoom (genotüüp), rakk, organism, populatsioon, biogeocenoos, biosfäär, on süsteemid. Hierarhiline on süsteem, milles osad või elemendid on järjestatud madalaimast kõrgeimani. Seega koosneb eluslooduses biosfäär biogeotsenoosidest, mida esindavad erinevate liikide organismide populatsioonid, ning organismide kehadel on rakuline struktuur.

Organisatsiooni hierarhiline põhimõte võimaldab meil eristada üksikisikuid tasemed, mis on elu kui keerulise loodusnähtuse uurimise seisukohalt mugav.

Biomeditsiiniteaduses kasutatakse neid laialdaselt taseme klassifikatsioon vastavalt keha olulisematele osadele, struktuuridele ja komponentidele, mis on erinevate erialade teadlaste otseseks uurimisobjektiks. Sellisteks objektideks võivad olla organism kui selline, elundid, koed, rakud, rakusisesed struktuurid, molekulid. Vaadeldava klassifikatsiooni tasemete tuvastamine on hästi kooskõlas bioloogide ja arstide poolt kasutatavate meetodite resolutsiooniga: objekti uurimine palja silmaga, luubi, valgus-optilise mikroskoobi, elektronmikroskoobi ja kaasaegse füüsikalised ja keemilised meetodid. Seos nende tasemete ja uuritavate bioloogiliste objektide tüüpiliste suuruste vahel on ilmne (tabel 1.1).

Tabel 1.1. Mitmerakulise organismi organiseerituse (uuringu) tase (vastavalt E. Ds. Robertsi et al., 1967, muudetud kujul)

Loodusteaduste erinevate valdkondade (füüsika, keemia, bioloogia) ideede ja meetodite põimumine, teaduste tekkimine nende valdkondade ristumiskohas (biofüüsika, biokeemia, molekulaarbioloogia) viis klassifikatsiooni laienemiseni kuni eraldumiseni. molekulaar- ja elektron-aatomi tasemel. Nendel tasanditel läbi viidud biomeditsiinilised uuringud pakuvad juba praktilist juurdepääsu tervishoiuteenustele. Seega kasutatakse elektronide paramagnetilise ja tuumamagnetresonantsi nähtustel põhinevaid seadmeid edukalt organismi haiguste ja seisundite diagnoosimisel.

Võimalus uurida organismis toimuvaid fundamentaalseid bioloogilisi protsesse rakulisel, subtsellulaarsel ja isegi molekulaarsel tasandil on silmapaistev, kuid mitte ainus tänapäeva bioloogia eristav tunnus. Teda iseloomustab sügav huvi organismide kooslustes toimuvate protsesside vastu, mis määravad elu planeedi rolli.

Seega täiendati klassifikatsiooni supraorganismide tasemetega, nagu liik, biogeotsenootiline ja biosfäär.

Eespool käsitletud klassifikatsiooni järgib enamik spetsiifilisi biomeditsiini ja antropobioloogia teadusi. See pole üllatav, kuna see peegeldab eluslooduse organiseerituse taset selle ajalooliselt väljakujunenud uurimistasandite kaudu. Meditsiinikooli bioloogiakursuse eesmärk on õpetada inimeste bioloogilise “pärandi” võimalikult täielikku kirjeldamist. Selle probleemi lahendamiseks on soovitatav kasutada klassifikatsiooni, mis kõige täpsemalt peegeldab elukorralduse tasemed.

Selles klassifikatsioonis eristatakse molekulaargeneetilist, rakulist, organismilist või ontogeneetilist populatsiooni-liikide ja biogeotsenootilist taset. Selle klassifikatsiooni eripära on see, et elu hierarhilise süsteemi üksikud tasemed on selles määratletud iga taseme jaoks üldisel jaotamise alusel. elementaarüksus Ja elementaarne nähtus. Elementaarüksus on struktuur või objekt, mille regulaarsed muutused, mida nimetatakse elementaarnähtuseks, moodustavad vastavale tasemele omase panuse elu säilimise ja arengu protsessi. Kindlaksmääratud tasemete vastavus evolutsiooniprotsessi võtmehetkedele, millest väljaspool ei seisa ükski elusolend, muudab need universaalseks, laienedes kogu eluvaldkonnale, sealhulgas inimestele.

Algseade sisse lülitatud molekulaargeneetiline tase toimib geenina - nukleiinhappemolekuli fragment, milles on kvalitatiivses ja kvantitatiivses mõttes salvestatud teatud hulk bioloogilist (geneetilist) teavet. Elementaarne nähtus peitub eelkõige protsessis konvariantne reduplikatsioon, või isepaljunemine, kus on võimalik geenis kodeeritud informatsiooni sisu mõningaid muutusi. DNA redutseerimisel kopeeritakse geenides sisalduv bioloogiline informatsioon, mis tagab organismide omaduste järjepidevuse ja säilimise (konservatiivsuse) mitme põlvkonna vältel. Reduplikatsioon on seega pärilikkuse alus.

Molekulide piiratud stabiilsuse või DNA sünteesi vigade tõttu (aeg-ajalt, kuid paratamatult) tekivad häired, mis muudavad geenide informatsiooni. Järgneva DNA reduplikatsiooni käigus reprodutseeritakse need muutused koopiamolekulides ja need on päritud tütarpõlvkonna organismide poolt. Need muutused tekivad ja paljunevad loomulikult, mis muudab DNA reduplikatsiooni konvariandiks, st. mõnikord mõne muudatusega. Neid muutusi geneetikas nimetatakse geneetiline(või tõsi) mutatsioonid. Reduplikatsiooni konvariantsus on seega mutatsiooni varieeruvuse aluseks.

DNA molekulides sisalduv bioloogiline teave ei ole eluprotsessides otseselt seotud. See muundub aktiivseks vormiks, kandudes valgu molekulidesse. Märgitud ülekanne toimub tänu mehhanismile maatriksi süntees, milles algne DNA toimib, nagu reduplikatsiooni korral, maatriksina (vormina), kuid mitte tütar-DNA molekuli, vaid valkude biosünteesi kontrolliva messenger-RNA moodustamiseks. Eeltoodu annab aluse liigitada infomakromolekulide maatrikssüntees elementaarseks nähtuseks elukorralduse molekulaargeneetilisel tasandil.

Bioloogilise teabe kandmine konkreetsetesse eluprotsessidesse nõuab erilisi struktuure, energiat ja mitmesuguseid kemikaale (substraate). Eespool kirjeldatud tingimused eluslooduses tagab rakk, mis toimib elementaarstruktuurina raku tase. Esitatakse elementaarne nähtus rakkude ainevahetuse reaktsioonid, moodustades aluse energia-, ainete- ja teabevoogudele. Tänu raku aktiivsusele muudetakse väljast tulevad ained substraatideks ja energiaks, mida kasutatakse (vastavalt olemasolevale geneetilisele informatsioonile) valkude ja muude organismile vajalike ühendite biosünteesi protsessis. Seega on rakutasandil bioloogilise informatsiooni edastamise ning ainete ja energia muundamise mehhanismid seotud. Selle taseme elementaarne nähtus on elu energeetiline ja materiaalne alus kõigil teistel selle organisatsiooni tasanditel.

Elementaarüksus keha/sel tasemel on individuaalne selle arengus tekkehetkest kuni elava süsteemina eksisteerimise lakkamiseni, mis võimaldab seda taset ka nimetada ontogeneetiline. Regulaarsed muutused kehas individuaalses arengus on sellel tasemel elementaarne nähtus. Need muutused tagavad organismi kasvamise, selle osade diferentseerumise ja samas arengu integreerumise ühtseks tervikuks, rakkude, elundite ja kudede spetsialiseerumise. Ontogeneesi käigus toimub teatud keskkonnatingimustes päriliku informatsiooni kehastumine bioloogilistesse struktuuridesse ja protsessidesse ning genotüübi alusel kujuneb antud liigi organismide fenotüüp.

Elementaarüksus populatsiooni-liigi tasemel teenindab elanikkond - sama liigi isendite kogum. Indiviidide ühinemine populatsiooniks toimub kogukonna tõttu genofond, kasutatakse seksuaalse paljunemise protsessis järgmise põlvkonna isendite genotüüpide loomiseks. Rahvastik, tulenevalt rahvastikuvaheliste ristumise võimalustest, on avatud geneetiline süsteem. Elementaarsete evolutsiooniliste tegurite, nagu mutatsiooniprotsess, isendite arvu kõikumine, looduslik valik, mõju populatsiooni genofondile toob kaasa evolutsiooniliselt olulisi muutusi genofondis, mis kujutavad endast antud tasemel elementaarnähtusi.

Ühe liigi organismid elavad teadaolevate abiootiliste näitajatega (kliima, mullakeemia, hüdroloogilised tingimused) alal ja suhtlevad teiste liikide organismidega. Erinevate süstemaatiliste rühmade organismide teatud territooriumil ühise ajaloolise arengu käigus moodustuvad dünaamilised, ajas stabiilsed kogukonnad - biogeotsenoosid, mis toimivad elementaarüksusena biogeotsenootiline(ökosüsteem) tasemel. Vaadeldaval tasemel elementaarset nähtust esindavad energiavood ja ainete tsüklid. Nendes tsüklites ja voogudes on juhtiv roll elusorganismidel. Biogeocenoos on materiaalselt ja energeetiliselt avatud süsteem. Biogeotsenoosid, mis erinevad liigilise koostise ja abiootilise osa omaduste poolest, on planeedil ühendatud üheks kompleksiks - elu levikualaks või biosfäär.

Ülaltoodud tasemed peegeldavad kõige olulisemaid bioloogilisi nähtusi, ilma milleta on evolutsioon ja sellest tulenevalt ka elu olemasolu võimatu. Kuigi tuvastatud tasandite elementaarüksused ja nähtused on erinevad, on nad kõik omavahel tihedalt seotud, lahendades oma spetsiifilise ülesande ühtse evolutsiooniprotsessi raames. Selle protsessi elementaarsed alused pärilikkuse ja tõelise mutatsioonilise muutlikkuse nähtuste näol on seotud konvariantse reduplikatsiooniga molekulaargeneetilisel tasandil. Rakutasandi eriline roll on pakkuda energeetilist, materiaalset ja informatsioonilist tuge kõikidel teistel tasanditel toimuvale. Ontogeneetilisel tasandil muudetakse geenides sisalduv bioloogiline teave organismi omaduste ja omaduste kompleksiks. Nii tekkiv fenotüüp muutub kättesaadavaks loodusliku valiku tegevusele. Populatsiooniliigi tasandil määratakse molekulaargeneetilise, rakulise ja ontogeneetilise tasemega seotud muutuste evolutsiooniline väärtus. Biogeotsenootilise tasandi spetsiifiline roll on teatud elupaigas koos elama kohanenud eri liikide organismide koosluste moodustamine. Selliste koosluste oluline eristav tunnus on nende stabiilsus ajas.

Vaadeldavad tasemed peegeldavad evolutsiooniprotsessi üldist struktuuri, mille loomulikuks tulemuseks on inimene. Seetõttu kehtivad neile tasanditele omased elementaarstruktuurid ja nähtused ka inimeste kohta, kuigi nende sotsiaalsest olemusest tulenevate teatud iseärasustega.

Molekulaargeneetiline. Organisatsiooni elementaarne üksus on geen. Elementaarne nähtus on DNA reduplikatsioon, geneetilise informatsiooni ülekandmine tütarrakku. Molekulaarbioloogia uurimisobjektiks on elukorralduse molekulaarne tase. Ta uurib valkude struktuuri, nende funktsioone (sh ensüümidena), nukleiinhapete rolli geneetilise informatsiooni säilitamisel, replikatsioonil ja juurutamisel, s.t. DNA, RNA, valkude sünteesi protsessid.

Raku tase. Seda elusolendite organiseerituse taset esindavad rakud - iseseisvad organismid (bakterid, algloomad jne), aga ka mitmerakuliste organismide rakud. Rakutasandi kõige olulisem eripära on see, et sellelt tasandilt elu algab, kuna maatriksi süntees, mis toimub molekulaarsel tasemel, toimub rakkudes. Kuna rakud on elu-, kasvu- ja paljunemisvõimelised, on nad elusaine peamine organiseerimisvorm, selle elementaarüksused, millest kõik elusolendid on ehitatud. Rakutasandi iseloomulik tunnus on rakkude spetsialiseerumine. Rakutasandil toimub eluprotsesside eristumine ja järjestamine ruumis ja ajas.

Kudede tase. Kude on rakkude kogum, millel on ühine päritolu, sarnane struktuur ja mis täidavad samu funktsioone. Näiteks imetajatel on neli peamist koetüüpi: epiteel-, side-, lihas- ja närvikude.

Organismi (ontogeneetiline) tase. Organisatsiooni tasandil uurivad nad indiviidi ja tema struktuurseid iseärasusi tervikuna, füsioloogilisi protsesse, sealhulgas diferentseerumist, kohanemismehhanisme ja käitumist. Elukorralduse elementaarne jagamatu üksus sellel tasandil on indiviid. Elu on alati esindatud diskreetsete indiviidide kujul. Need võivad olla üherakulised või mitmerakulised, mis koosnevad miljonitest ja miljarditest rakkudest.

Populatsiooni-liikide tase. Põhiline elementaarne struktuuriüksus sellel tasemel on rahvastik. Rahvaarv– lokaalne, geograafiliselt ühel või teisel määral teistest eraldatud rühm sama liigi isendeid, kes omavahel vabalt ristuvad ja millel on ühine geneetiline fond. Populatsiooni-liigi tasandi elementaarnähtus on populatsiooni genotüübilise koostise muutumine ja elementaarmaterjaliks mutatsioon. Populatsiooniliigi tasandil uuritakse populatsioonide suurust mõjutavaid tegureid, ohustatud liikide säilimise probleeme ja populatsioonide geneetilise koostise dünaamikat.

Biotsenootiline tase. Erinevate liikide populatsioonid moodustavad Maa biosfääris alati keerukaid kooslusi. Selliseid kooslusi teatud biosfääri piirkondades nimetatakse biotsenoosideks. Biotsenoos- kompleks, mis koosneb taimekooslusest (fütocenoos), seda asustavast loomamaailmast (zoocenoos), mikroorganismidest ja vastavast maapinna alast. Kõik biotsenoosi komponendid on omavahel seotud ainete tsükliga. Biotsenoos on süstemaatilise asukoha poolest erinevate liikide ühise ajaloolise arengu produkt.

On olemas sellised elusaine organiseerituse tasandid – bioloogilise organiseerituse tasemed: molekulaarne, rakuline, koe-, organ-, organismi-, populatsiooni-liigid ja ökosüsteem.

Organisatsiooni molekulaarne tase – see on bioloogiliste makromolekulide – biopolümeeride – funktsioneerimise tase: nukleiinhapped, valgud, polüsahhariidid, lipiidid, steroidid. Sellelt tasandilt algavad tähtsamad eluprotsessid: ainevahetus, energia muundamine, ülekandmine pärilikku teavet. Seda taset õpitakse: biokeemia, molekulaargeneetika, molekulaarbioloogia, geneetika, biofüüsika.

Raku tase- see on rakkude tase (bakterirakud, tsüanobakterid, üherakulised loomad ja vetikad, ainuraksed seened, mitmerakuliste organismide rakud). Rakk on elusolendite struktuuriüksus, funktsionaalne üksus, arenguüksus. Seda taset uurivad tsütoloogia, tsütokeemia, tsütogeneetika ja mikrobioloogia.

Kudede organiseerituse tase - sellel tasemel uuritakse kudede struktuuri ja toimimist. Seda taset uurib histoloogia ja histokeemia.

Organisatsiooni tase- See on mitmerakuliste organismide elundite tase. Anatoomia, füsioloogia ja embrüoloogia uurivad seda taset.

Organismiline organiseerituse tase - see on üherakuliste, koloniaalsete ja mitmerakuliste organismide tase. Organisatsiooni tasandi eripära seisneb selles, et sellel tasandil toimub geneetilise informatsiooni dekodeerimine ja juurutamine, antud liigi isenditele omaste tunnuste kujunemine. Seda taset uurivad morfoloogia (anatoomia ja embrüoloogia), füsioloogia, geneetika ja paleontoloogia.

Populatsiooni-liikide tase - see on üksikisikute agregaatide tase - populatsioonid Ja liigid. Seda taset uurivad süstemaatika, taksonoomia, ökoloogia, biogeograafia, populatsioonigeneetika. Sellel tasemel geneetiline ja populatsioonide ökoloogilised omadused, elementaarne evolutsioonilised tegurid ja nende mõju genofondile (mikroevolutsioon), liigikaitse probleem.

Ökosüsteemi organiseerituse tase - see on mikroökosüsteemide, mesoökosüsteemide, makroökosüsteemide tase. Sellel tasemel uuritakse toitumistüüpe, organismide ja populatsioonide vaheliste suhete tüüpe ökosüsteemis, populatsiooni suurus, rahvastiku dünaamika, asustustihedus, ökosüsteemi tootlikkus, suktsessioon. Sellel tasemel õpitakse ökoloogiat.

Samuti eristatakse biosfääri organiseerituse tase elav aine. Biosfäär on hiiglaslik ökosüsteem, mis hõivab osa Maa geograafilisest ümbrisest. See on mega ökosüsteem. Biosfääris toimub ainete ja keemiliste elementide ringlus, aga ka päikeseenergia muundumine.
2. Elusaine põhiomadused

Ainevahetus (ainevahetus)

Ainevahetus (metabolism) on elussüsteemides toimuvate keemiliste transformatsioonide kogum, mis tagab nende elulise aktiivsuse, kasvu, paljunemise, arengu, enesesäilitamise, pideva kontakti keskkonnaga ning kohanemisvõime sellega ja selle muutustega. Ainevahetusprotsessi käigus lagundatakse ja sünteesitakse rakke moodustavad molekulid; rakustruktuuride ja rakkudevahelise aine moodustumine, hävitamine ja uuenemine. Ainevahetus põhineb omavahel seotud assimilatsiooni (anabolismi) ja dissimilatsiooni (katabolismi) protsessidel. Assimilatsioon - keerukate molekulide sünteesi protsessid lihtsatest molekulidest koos dissimilatsiooni ajal salvestatud energia kulutamisega (nagu ka energia kogunemine sünteesitud ainete sadestumise ajal). Dissimilatsioon on organismi toimimiseks vajalike komplekssete orgaaniliste ühendite lagunemise (anaeroobne või aeroobne) protsess.
Erinevalt eluta looduse kehadest on elusorganismide vahetus keskkonnaga nende olemasolu tingimuseks. Sel juhul toimub eneseuuendus. Keha sees toimuvad ainevahetusprotsessid liidetakse ajas ja ruumis rangelt järjestatud keemiliste reaktsioonide abil metaboolseteks kaskaadideks ja tsükliteks. Suure hulga reaktsioonide koordineeritud toimumine väikeses mahus saavutatakse üksikute metaboolsete üksuste järjestatud jaotumise kaudu rakus (lahterdamise põhimõte). Ainevahetusprotsesse reguleeritakse biokatalüsaatorite – spetsiaalsete ensüümvalkude – abil. Igal ensüümil on substraadi spetsiifilisus, et katalüüsida ainult ühe substraadi konversiooni. See spetsiifilisus põhineb teatud tüüpi substraadi "äratundmisel" ensüümi poolt. Ensümaatiline katalüüs erineb mittebioloogilisest katalüüsist ülikõrge efektiivsuse poolest, mille tulemusena suureneb vastava reaktsiooni kiirus 1010 - 1013 korda. Iga ensüümi molekul on võimeline sooritama mitu tuhat kuni mitu miljonit operatsiooni minutis, ilma et see reaktsioonides osaledes häviks. Teine iseloomulik erinevus ensüümide ja mittebioloogiliste katalüsaatorite vahel on see, et ensüümid on normaalsetes tingimustes (atmosfäärirõhk, kehatemperatuur jne) võimelised reaktsioone kiirendama.
Kõik elusorganismid võib jagada kahte rühma - autotroofid ja heterotroofid, mis erinevad energiaallikate ja eluks vajalike ainete poolest.
Autotroofid on organismid, mis sünteesivad anorgaanilistest ainetest orgaanilisi ühendeid, kasutades päikesevalguse energiat (fotosünteesid - rohelised taimed, vetikad, mõned bakterid) või anorgaanilise substraadi oksüdatsioonil saadavat energiat (kemosünteesid - väävel, rauabakterid ja mõned teised) Autotroofsed organismid on võimelised sünteesima raku kõiki komponente. Fotosünteetiliste autotroofide roll looduses on määrav - olles orgaanilise aine esmane tootja biosfääris, tagavad nad kõigi teiste organismide olemasolu ja biogeokeemiliste tsüklite kulgemise ainete ringis Maal.
Heterotroofid (kõik loomad, seened, enamik baktereid, mõned mitteklorofüllitaimed) on organismid, mis vajavad oma eksisteerimiseks valmis orgaanilisi aineid, mis toiduna tarnituna on nii energiaallikaks kui ka vajalikuks “ehitusmaterjaliks”. . Heterotroofidele iseloomulik tunnus on amfibolismi esinemine, s.o. toidu seedimisel tekkivate väikeste orgaaniliste molekulide (monomeeride) moodustumise protsess (komplekssete substraatide lagunemise protsess). Selliseid molekule – monomeere – kasutatakse omaenda keeruliste orgaaniliste ühendite kokkupanemiseks.

Enesepaljundamine (paljundamine)

Paljunemisvõime (omalaadne taastootmine, isepaljunemine) on elusorganismide üks põhiomadusi. Paljunemine on vajalik liikide olemasolu järjepidevuse tagamiseks, sest Üksikorganismi eluiga on piiratud. Paljunemine enam kui kompenseerib isendite loomulikust surmast põhjustatud kahjud ja säilitab seega liigi säilimise üle põlvkondade isendite. Elusorganismide evolutsiooni käigus toimus paljunemismeetodite areng. Seetõttu leiame praegu eksisteerivate arvukate ja mitmekesiste elusorganismide liikide hulgas erinevaid paljunemisvorme. Paljud organismiliigid ühendavad mitmeid paljunemismeetodeid. On vaja eristada kahte põhimõtteliselt erinevat organismide paljunemise tüüpi - aseksuaalset (esmane ja iidsem paljunemisviis) ja seksuaalset.
Mittesugulise paljunemise käigus moodustub emaorganismi ühest või rakkude rühmast (mitmerakulistes organismides) uus isend. Kõigis mittesugulise paljunemise vormides on järglastel genotüüp (geenide komplekt) identne ema omaga. Järelikult osutuvad kõik ühe emaorganismi järglased geneetiliselt homogeenseks ja tütarisenditel on samad omadused.
Sugulisel paljunemisel areneb uus isend sügootist, mis moodustub kahe spetsialiseeritud suguraku ühinemisel (viljastamisprotsess), mille toodavad kaks vanemorganismi. Sügooti tuum sisaldab hübriidset kromosoomide komplekti, mis on moodustunud sulatatud sugurakkude tuumade kromosoomikomplektide kombineerimise tulemusena. Sügoodi tuumas luuakse seega uus kombinatsioon pärilikest kalduvustest (geenidest), mille on juurutanud võrdselt mõlemad vanemad. Ja sügoodist arenev tütarorganism saab uue omaduste kombinatsiooni. Teisisõnu, sugulisel paljunemisel tekib organismide päriliku varieeruvuse kombineeritud vorm, mis tagab liikide kohanemise muutuvate keskkonnatingimustega ja on evolutsiooni oluline tegur. See on sugulise paljunemise oluline eelis võrreldes mittesugulise paljunemisega.
Elusorganismide võime end taastoota põhineb nukleiinhapete ainulaadsel omadusel paljuneda ja maatriksi sünteesi nähtusel, mis on nukleiinhappe- ja valgumolekulide moodustumise aluseks. Enesepaljunemine molekulaarsel tasandil määrab nii ainevahetuse teostamise rakkudes kui ka rakkude eneste paljunemise. Rakkude jagunemine (rakkude isepaljunemine) on mitmerakuliste organismide individuaalse arengu ja kõigi organismide paljunemise aluseks. Organismide paljunemine tagab kõigi Maal asustavate liikide isepaljunemise, mis omakorda määrab biogeotsenooside ja biosfääri olemasolu.

Pärilikkus ja muutlikkus

Pärilikkus tagab materiaalse järjepidevuse (geneetilise informatsiooni voo) organismide põlvkondade vahel. See on tihedalt seotud paljunemisega molekulaarsel, subtsellulaarsel ja rakulisel tasemel. Geneetiline informatsioon, mis määrab pärilike tunnuste mitmekesisuse, on krüpteeritud DNA molekulaarstruktuuris (mõnede viiruste puhul RNA-s). Geenid kodeerivad teavet sünteesitud valkude ensümaatilise ja struktuurse struktuuri kohta. Geneetiline kood on süsteem sünteesitud valkude aminohapete järjestuse teabe "salvestamiseks", kasutades DNA molekuli nukleotiidide järjestust.
Organismi kõigi geenide kogumit nimetatakse genotüübiks ja tunnuste kogumit fenotüübiks. Fenotüüp sõltub nii genotüübist kui ka sise- ja väliskeskkonna teguritest, mis mõjutavad geenide aktiivsust ja määravad regulaarseid protsesse. Päriliku teabe säilitamine ja edastamine toimub kõigis organismides nukleiinhapete abil, geneetiline kood on kõigil Maa elusolenditel sama, s.t. see on universaalne. Tänu pärilikkusele kanduvad põlvest põlve edasi tunnused, mis tagavad organismide kohanemise oma keskkonnaga.
Kui organismide paljunemise ajal avalduks ainult olemasolevate omaduste ja omaduste järjepidevus, siis muutuvate keskkonnatingimuste taustal oleks organismide olemasolu võimatu, kuna organismide eluks vajalik tingimus on nende kohanemisvõime oma elutingimustega. keskkond. Samasse liiki kuuluvate organismide mitmekesisuses on varieeruvus. Muutlikkus võib esineda üksikutes organismides nende individuaalse arengu ajal või organismide rühmas mitme põlvkonna jooksul paljunemise ajal.
On kaks peamist varieeruvuse vormi, mis erinevad esinemismehhanismide, omaduste muutuste olemuse ja lõpuks nende tähtsuse poolest elusorganismide olemasolule - genotüübiline (pärilik) ja modifikatsioon (mittepärilik).
Genotüübi varieeruvus on seotud genotüübi muutusega ja viib fenotüübi muutumiseni. Genotüübi varieeruvus võib põhineda mutatsioonidel (mutatsiooniline varieeruvus) või uutel geenide kombinatsioonidel, mis tekivad sugulisel paljunemisel viljastamise protsessis. Mutatsioonivormis on muutused seotud eelkõige nukleiinhapete replikatsiooni käigus tekkinud vigadega. Seega ilmuvad uued geenid, mis kannavad uut geneetilist informatsiooni; ilmuvad uued märgid. Ja kui äsja esilekerkivad tegelased on teatud tingimustel organismile kasulikud, siis loodusliku valiku abil “korjatakse” nad “kinni”. Seega põhineb organismide kohanemisvõime keskkonnatingimustega, organismide mitmekesisus pärilikul (genotüübilisel) varieeruvusel ning luuakse eeldused positiivseks evolutsiooniks.
Mittepäriliku (modifitseeriva) varieeruvuse korral toimuvad fenotüübi muutused keskkonnategurite mõjul ega ole seotud genotüübi muutustega. Modifikatsioonid (tunnuste muutused modifikatsiooni varieeruvuse käigus) toimuvad reaktsiooninormi piirides, mis on genotüübi kontrolli all. Muudatused ei kandu edasi järgmistele põlvkondadele. Modifikatsiooni varieeruvuse tähtsus seisneb selles, et see tagab organismi kohanemisvõime keskkonnateguritega elu jooksul.

Organismide individuaalne areng

Kõiki elusorganisme iseloomustab individuaalne arenemisprotsess – ontogenees. Traditsiooniliselt mõistetakse ontogeneesi all mitmerakulise organismi (moodustunud sugulise paljunemise tulemusena) individuaalse arengu protsessi sügoodi moodustumise hetkest kuni isendi loomuliku surmani. Sügootide jagunemise ja järgnevate rakkude põlvkondade tõttu moodustub mitmerakuline organism, mis koosneb tohutul hulgal erinevat tüüpi rakkudest, erinevatest kudedest ja organitest. Organismi areng põhineb "geneetilisel programmil" (mis on põimitud sügoodi kromosoomide geenidesse) ja toimub spetsiifilistes keskkonnatingimustes, mis mõjutavad oluliselt geneetilise teabe juurutamise protsessi inimese individuaalse eksisteerimise ajal. individuaalne. Isendi arengu varases staadiumis toimub intensiivne kasv (massi ja suuruse kasv), mis on põhjustatud molekulide, rakkude ja muude struktuuride paljunemisest ning diferentseerumisest, s.o. struktuurierinevuste tekkimine ja funktsioonide keerukus.
Ontogeneesi kõikidel etappidel on erinevatel keskkonnateguritel (temperatuur, gravitatsioon, rõhk, toidu koostis keemiliste elementide ja vitamiinide sisalduse osas, mitmesugused füüsikalised ja keemilised mõjurid) organismi arengule oluline regulatiivne mõju. Nende tegurite rolli uurimine loomade ja inimeste isendiarengu protsessis on väga praktilise tähtsusega, mis suureneb inimtekkelise mõju tugevnedes loodusele. Erinevates bioloogia, meditsiini, veterinaaria ja teiste teaduste valdkondades tehakse laialdaselt teadusuuringuid organismide normaalse ja patoloogilise arengu protsesside uurimiseks ning ontogeneesi mustrite selgitamiseks.

Ärrituvus

Organismide ja kõigi elussüsteemide lahutamatu omadus on ärrituvus – võime tajuda väliseid või sisemisi stiimuleid (lööke) ja neile adekvaatselt reageerida. Organismides kaasneb ärrituvusega muutuste kompleks, mis väljendub nihketes ainevahetuses, rakumembraanide elektrilises potentsiaalis, rakkude tsütoplasma füüsikalis-keemilistes parameetrites, motoorsetes reaktsioonides ning kõrgelt organiseeritud loomi iseloomustavad muutused nende käitumises.

4. Molekulaarbioloogia keskne dogma – üldistav reegel looduses vaadeldava geneetilise informatsiooni rakendamiseks: info edastatakse alates nukleiinhapped To orav, kuid mitte vastupidises suunas. Reegel oli sõnastatud Francis Crick V 1958 aastal ja viidud vastavusse selleks ajaks kogutud andmetega aastal 1970 aastal. Geneetilise teabe ülekanne alates DNA To RNA ja RNA-st kuni orav on eranditult universaalne kõigile rakulistele organismidele; see on makromolekulide biosünteesi aluseks. Genoomi replikatsioonile vastab infosiirde DNA → DNA. Looduses on ka üleminekud RNA → RNA ja RNA → DNA (näiteks mõnes viiruses), samuti muutused konformatsioon molekulilt molekuli kantud valgud.

Bioloogilise teabe edastamise universaalsed meetodid

Elusorganismides on kolme tüüpi heterogeenseid, st koosnevad erinevatest polümeeri monomeeridest - DNA, RNA ja valk. Teavet saab nende vahel edastada 3 x 3 = 9 viisil. Keskdogma jagab need 9 teabeedastuse tüüpi kolme rühma:

Üldine – leidub enamikus elusorganismides;

Eriline – leitud erandkorras, sisse viirused ja kell mobiilsed genoomi elemendid või bioloogilistes tingimustes katse;

Tundmatu – ei leitud.

DNA replikatsioon (DNA → DNA)

DNA on peamine teabe edastamise viis elusorganismide põlvkondade vahel, seega on DNA täpne dubleerimine (replikatsioon) väga oluline. Replikatsiooni viib läbi valkude kompleks, mis lahti kerivad kromatiin, siis topeltheeliks. Pärast seda loovad DNA polümeraas ja sellega seotud valgud mõlemale kahele ahelale identse koopia.

Transkriptsioon (DNA → RNA)

Transkriptsioon on bioloogiline protsess, mille tulemusena kopeeritakse DNA osas sisalduv informatsioon sünteesitud molekulile. sõnumitooja RNA. Transkriptsioon viiakse läbi transkriptsioonifaktorid Ja RNA polümeraas. IN eukarüootne rakk primaarne transkript (pre-mRNA) on sageli redigeeritud. Seda protsessi nimetatakse splaissimine.

Tõlge (RNA → valk)

Küpset mRNA-d loetakse ribosoomid saateprotsessi ajal. IN prokarüootne Rakkudes ei ole transkriptsiooni ja translatsiooni protsessid ruumiliselt eraldatud ning need protsessid on seotud. IN eukarüootne transkriptsiooni rakusait raku tuum eraldatud saate asukohast ( tsütoplasma) tuumamembraan, seega mRNA transporditakse tuumast tsütoplasmasse. mRNA-d loeb ribosoom kolme kujul nukleotiid"sõnad". Kompleksid initsiatsioonitegurid Ja pikenemise tegurid tarnida aminoatsüülitud RNA-de ülekandmine mRNA-ribosoomi kompleksiks.

Kokku on neid 8. Millest lähtub eluslooduse tasanditeks jaotus? Fakt on see, et igal tasandil on teatud omadused. Iga järgmine tase sisaldab tingimata eelmist või kõiki eelnevaid. Vaatame iga taset üksikasjalikumalt:

1. Eluslooduse organiseerituse molekulaarne tase

· Orgaanilised ja anorgaanilised ained,

nende ainete sünteesi ja lagunemise protsessid,

energia vabanemine ja neeldumine

Need on kõik keemilised protsessid, mis toimuvad igas elussüsteemis. Seda taset ei saa 100% otseülekandeks nimetada. See on pigem "keemiline tase" - seetõttu on see kõige esimene, madalaim. Kuid just see tase oli aluseks elava looduse jagamisele kuningriikideks - vastavalt varutoitainetele: taimedes - süsivesikud, seened - kitiin, loomadel - valk.

· Biokeemia

· Molekulaarbioloogia

· Molekulaargeneetika

2. Eluslooduse rakuline organiseerituse tase

Hõlmab organiseerituse molekulaarset taset. Sellel tasemel ilmub juba "väikseim jagamatu bioloogiline süsteem - rakk". Sinu ainevahetus ja energia. Raku sisemine organisatsioon on selle organellid. Eluprotsessid - päritolu, kasv, isepaljunemine (jagunemine)

Teadused, mis uurivad rakulise organiseerituse taset:

Tsütoloogia

· (geneetika)

· (Embrüoloogia)

Seda taset uurivad teadused on märgitud sulgudes, kuid see ei ole peamine uurimisobjekt.

3. Kudede organiseerituse tase

Sisaldab molekulaarset ja rakulist taset. Seda taset võib nimetada mitmerakuliseks - kude on ju sarnase struktuuriga ja samu funktsioone täitvate rakkude kogum.

Teadus, mis uurib kudede organiseerituse taset - histoloogia.

4. Elukorralduse tasand

Üherakulistes organismides on need organellid - igal neist on oma struktuur ja funktsioonid

Mitmerakulistes organismides on need organid, mis on ühendatud süsteemideks ja suhtlevad üksteisega selgelt.

Neid kahte taset – kude ja organ – uurib teadus:

Botaanika – taimed,

Zooloogia – loomad,

Anatoomia – inimene

· Füsioloogia

· (ravim)

5. Organismi tase

Hõlmab molekulaarset, rakulist, kudede ja elundite taset.

Sellel tasemel on elusloodus juba jagatud kuningriikideks – taimedeks, seenteks ja loomadeks.

Selle taseme omadused:

· Ainevahetus (ja ka rakutasandil - näete, iga tase sisaldab eelmist!)

· Keha ehitus

· Toitumine

Homöostaas – sisekeskkonna püsivus

· Paljundamine

Organismide vaheline interaktsioon

· Suhtlemine keskkonnaga

Anatoomia

· Geneetika

· Morfoloogia

· Füsioloogia

6. Populatsiooniliigiline elukorralduse tase

Hõlmab molekulaarset, rakulist, kudede, organite ja organismide taset.

Kui mitu organismi on morfoloogiliselt sarnased (teisisõnu, neil on sama struktuur) ja neil on sama genotüüp, siis moodustavad nad ühe liigi või populatsiooni.

Peamised protsessid sellel tasemel:

Organismide omavaheline interaktsioon (võistlemine või paljunemine)

mikroevolutsioon (muutused kehas välistingimuste mõjul)

Seda taset uurivad teadused:

· Geneetika

· Evolutsioon

Ökoloogia

7. Elukorralduse biogeotsenootiline tase (sõnast biogeocenoos)

Sellel tasemel on peaaegu kõike juba arvesse võetud:

Organismide vastastikmõju - toiduahelad ja -võrgustikud

Organismide vastastikmõju - konkurents ja paljunemine

Keskkonna mõju organismidele ja vastavalt ka organismide mõju nende elupaigale

Seda taset uuriv teadus on Ökoloogia.

8. Eluslooduse biosfääri organiseerituse tase (viimane tase on kõrgeim!)

See sisaldab:

· Looduse elusate ja elutute komponentide koostoime

· Biogeotsenoosid

· Inimmõju – “antropogeensed tegurid”

· Ainete ringkäik looduses

Ja uurib seda kõike - Ökoloogia!

Teadusmaailm hakkas rakust rääkima peaaegu kohe pärast mikroskoobi leiutamist.

Muide, praegu on mitut tüüpi mikroskoope:

Optiline mikroskoop - maksimaalne suurendus - ~2000 korda (näha on mõningaid mikroorganisme, rakke (taimne ja loom), kristalle jne.

Elektronmikroskoop – suurendab kuni 106 korda. Juba praegu saab uurida nii rakkude kui molekulide osakesi – see on juba mikrostruktuuride tase

Esimene teadlane, kes suutis rakke näha (loomulikult läbi mikroskoobi), oli Robert Hooke(1665) - uuris peamiselt taimede rakulist ehitust.

Aga esimest korda hakkasin rääkima üherakulistest organismidest – bakteritest, ripsmetest A. Van Leeuwenhoek(1674 g)

La Marque(1809) hakkas juba rääkima rakuteooriast

Noh, juba 19. sajandi keskel sõnastasid M. Schleiden ja T. Schwann rakuteooria, mis on nüüdseks üldtunnustatud kogu maailmas.

Kõik organismid on rakulised, välja arvatud viirused

Kamber- kõigi organismide struktuuri ja elutegevuse elementaarne üksus, millel on oma ainevahetus ja mis on võimeline iseseisvalt eksisteerima, ise paljunema ja arenema. Kõik elusorganismid, nagu mitmerakulised loomad, taimed ja seened, koosnevad paljudest rakkudest või, nagu paljud algloomad ja bakterid, on üherakulised organismid. Bioloogia haru, mis uurib rakkude ehitust ja talitlust, nimetatakse tsütoloogiaks. Viimasel ajal on levinud ka rääkimine rakubioloogiast ehk rakubioloogiast.

Kamber on miniorganism. Tal on oma "organid" - organoidid. Raku peamine organell on tuum. Selle põhjal jagatakse kõik elusorganismid EUKARYOOTILISteks (“karüo” - tuum) - tuuma sisaldavateks ja PROKARYOOTILISTeks ("pro" - do) - eeltuumadeks (ilma tuumata)

Schleiden-Schwanni rakuteooria sätted

1. Kõik loomad ja taimed koosnevad rakkudest.

2. Taimed ja loomad kasvavad ja arenevad uute rakkude tekkimise kaudu.

3. Rakk on elusolendite väikseim üksus ja terve organism on rakkude kogum.

Kaasaegse rakuteooria põhisätted

· Rakk on elusorganismide ehituse, elutegevuse, kasvu ja arengu üksus, väljaspool rakku elu puudub.

· Rakk on ühtne süsteem, mis koosneb paljudest looduslikult üksteisega seotud elementidest, mis esindavad teatud terviklikku moodustist.

· Tuum on raku põhikomponent (eukarüootid).

· Uued rakud tekivad ainult algsete rakkude jagunemise tulemusena.

· Mitmerakuliste organismide rakud moodustavad kudesid, kuded organeid. Organismi kui terviku elu määrab selle moodustavate rakkude koosmõju.

Raku peamised organoidid on need komponendid, mis on omased kõigile elusorganismide rakkudele - "üldine koostis":

· tuum: tuum;tuumaümbris;

· plasmamembraan;

· endoplasmaatiline retikulum;

· tsentriool;

· Golgi kompleks;

· lüsosoom;

· vakuool;

· mitokondrid.

Nukleiinhapped leidub absoluutselt iga organismi rakkudes. Isegi viirused.

"Nucleo" - "tuum" - leidub peamiselt rakkude tuumas, kuid neid leidub ka tsütoplasmas ja teistes organoidides. Nukleiinhappeid on kahte tüüpi: DNA ja RNA

DNA - desoksüribonukleiinhape

RNA - ribonukleiinhape

Need molekulid on polümeerid, monomeerid on nukleotiidid – lämmastiku aluseid sisaldavad ühendid.

DNA nukleotiidid: A - adeniin, T - tümiin, C - tsütosiin, G - guaniin

RNA nukleotiidid: A - adeniin, U - uratsiil, C - tsütosiin, G - guaniin

Nagu näete, pole RNA-s tümiini, see on asendatud uratsiiliga - U

Lisaks neile hõlmavad nukleotiidid:

süsivesikud: desoksüriboos - DNA-s, riboos - RNA-s. Fosfaat ja suhkur - on osa mõlemast molekulist

See on molekulide põhistruktuur

Sekundaarne struktuur on molekulide kuju. DNA on topeltheeliks, RNA on "üksik" pikk molekul.

Nukleiinhapete põhifunktsioonid

Geneetiline kood on nukleotiidide järjestus DNA molekulis. See on iga organismi alus; tegelikult on see teave organismi enda kohta (nagu iga inimese täisnimi, mis tuvastab isiku - see on tähtede jada või numbrite jada - passiseeria).

Niisiis, nukleiinhapete põhifunktsioonid- teatud nukleotiidide järjestuse kujul molekulidesse "salvestatud" päriliku teabe salvestamisel, rakendamisel ja edastamisel.

Rakkude jagunemine on osa absoluutselt iga elusorganismi eluprotsessist. Kõik uued rakud moodustuvad vanadest (ema)rakkudest. See on rakuteooria üks peamisi sätteid. Kuid on mitut tüüpi jagunemist, mis sõltuvad otseselt nende rakkude olemusest.

Prokarüootsete rakkude jagunemine

Mille poolest prokarüootne rakk erineb eukarüootsest rakust? Kõige olulisem erinevus on tuuma puudumine (mis on tegelikult põhjus, miks neid nii nimetatakse). Tuuma puudumine tähendab, et DNA lihtsalt asub tsütoplasmas.

Protsess näeb välja selline:

DNA replikatsioon (duplikatsioon) ---> rakk pikeneb ---> tekib põiki vahesein ---> rakud eralduvad ja eralduvad

Eukarüootsete rakkude jagunemine

Iga raku elu koosneb kolmest etapist: kasv, jagunemiseks ettevalmistamine ja tegelikult jagunemine.

Kuidas valmistute jagunemiseks?

Esiteks sünteesitakse valk

· teiseks kahekordistuvad kõik raku olulised komponendid, et igas uues rakus oleks kogu eluks vajalik organellide komplekt.

· Kolmandaks, DNA molekul kahekordistub ja iga kromosoom sünteesib endast koopia. Topeltkromosoom = 2 kromatiidi (igaüks DNA molekuliga).

Seda pettekujutelmadeks valmistumise perioodi nimetatakse INTERFAASI.