Лекция № 3. Основные свойства живых организмов.

Живой организм – это главный предмет, который изучает такая наука, как биология. Он представляет собой сложную систему, состоящую из клеток, органов и тканей. Живой организм – это тот, который обладает целым рядом характерных признаков. Он дышит и питается, шевелится или движется, а также имеет потомство.

Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты не живой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом не одинаково. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород.

Самообновление – способность организмов постоянно обновлять структурные элементы – молекулы, ферменты, органоиды, клетки – путем замены «износившихся», выполнивших свои функции (форменные элементы крови, клетки эпидермиса кожи и т. д.). При этом организмы используют вещества и энергию, которые поступают в клетки (поток вещества и энергии). Самообновление обеспечивают обмен веществ и энергии, реакции матричного синтеза, дискретность.

Обмен веществ и энергии это общее свойство всего живого, которое лежит в основе поддержания жизни. Живые организмы способны поглощать определенные вещества из окружающей среды, преобразовывать их, получать энергию за счет этих преобразований и выделять ненужные остатки этих веществ обратно в окружающую среду. Обмен веществ (метаболизм) делится на пластический (запасание веществ) и энергетический (расщепление веществ). Для извлечения энергии вещества разлагаются, для ее запасания они синтезируются. Причем, синтез собственных веществ, из которых строятся тела живых организмов, тоже протекает с затратами энергии и является частью пластического обмена (анаболизма).

Как физиологическое понятие обмен веществ включает в себя несколько не связанных на первый взгляд процессов: питание и пищеварение у животных и фотосинтез у растений, дыхание и выделение (включая потоотделение) у млекопитающих. Именно в ходе этих процессов организмы обеспечивают себя не только необходимыми веществами, но и энергией. У человека, как вы знаете, обмен веществ и другие процессы контролируются нервной и эндокринной системами. Это основа следующего свойства живого.

Важный признак живых систем - использование внешних источников энергии в виде пищи, света и др. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, вот почему они открытые. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма.

Гомеостаз (греч. homoios «подобный, одинаковый» + stasis «неподвижность, состояние»). Живые организмы, обитающие в непрерывно различных внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов.

.Обмен веществ и энергии обеспечивает гомеостаз и является условием поддержания жизни организма. Живая клетка — это сложная высокоупорядоченная система. Опытным путем установлено, что в ней непрерывно совершается синтез крупных молекул из мелких и простых — анаболические (греч. anabole «подъем») реакции, на которые затрачивается энергия, и их распад — катаболические (греч. katabole «сбрасывание вниз») реакции. Совокупность этих реакций в клетке и есть процесс метаболизма. Для его поддержания необходим непрерывный приток энергии, и для живого более важна химическая форма энергии. Биологи часто выделяют основные наблюдаемые свойства, отличающие живое от неживого и отражающие специфику биологической формы движения материи.

4.Самовоспроизведение (репродукция) — одно из важнейших свойств, поддерживающее существование видов и определяющее специфику жизни. Оно может быть многократным, информация о нем закодирована в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, программирующей синтез белков, определяющих специфику организма. На других уровнях — огромным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования клеток.

5.Иерархичность организации отражает возможности системного подхода к пониманию строения и жизнедеятельности. Клетки—как единицы организации—специфически организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. Организмы сорганизованы в популяции, популяции — в биоценозы, а биоценозы—в биогеоценозы, являющиеся элементарными единицами биосферы.

6.Упорядоченность структуры на молекулярном уровне приводит к образованию структур, отличающихся упорядоченностью в пространстве и во времени.. Живые системы в развитии способны к самоорганизации, к упорядочиванию структур, к росту разнообразия.

7.Регуляция процессов осуществляется в химических реакциях при помощи механизма обратной связи. В регуляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию. Внутри клеток реакции синтеза и распада идут с участием ферментов, синтезируемых внутри самих клеток.

8.Размножение и рост Развитие — это индивидуальное развитие {онтогенез) и историческое {филогенез), где одинаково важны наследственность и изменчивость. Развитие, сопутствующее росту, проявляется в усложнении структуры и функций. В онтогенезе формируются признаки в процессе взаимодействия генотипа и среды. В филогенезе появляется большое разнообразие организмов и целесообразность. Эти процессы регулируются и подвержены генетическому контролю. В отличие от объектов неживой природы—кристаллов, которые растут, присоединяя новое вещество к поверхности, живые организмы растут за счет питания изнутри, причем живая протоплазма образуется при ассимиляции питательных веществ. Выживание вида или его бессмертие обеспечиваются сохранением признаков родителей у потомства, возникшего путем размножения. Передаваемая следующему поколению информация закодирована в молекулах ДНК и РНК

Рост и развитие. Новый организм возникает из особо устроенных половых клеток и реализует полученную наследственную информацию в ходе роста и развития. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав или структура. Развитие живых организмов представлено онтогенезом (индивидуальным развитием) и филогенезом (историческим развитием). На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма (проявление цвета глаз, способность держать голову, сидеть, ходить, появление зубов и т. д. у детей). Развитие сопровождается ростом – процессом увеличения количества клеток и накоплением массы внеклеточных образований в результате обмена веществ. Независимо от способа размножения (бесполое или половое) все дочерние особи образующиеся из одной зиготы, споры, почки или клетки, получают по наследству только генетическую информацию, т. е. возможность проявлять те или иные признаки и свойства. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. При смене многочисленных поколений происходит изменение видов, или филогенез (эволюция) – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

9. Питание — источник энергии и веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения усваивают солнечную энергию и самостоятельно создают питательные вещества в процессе фотосинтеза. У грибов, животных (и человека), некоторых растений и большинства бактерий — гетеротрофное (греч. heteros «другой» = в рус. «разный» + trophe «пища») питание: они расщепляют с помощью ферментов органические вещества и усваивают продукты расщепления. Выделение—это выведение из организма конечных продуктов обмена с окружающей средой. Общее свойство открытых систем — обмен энергией и веществом с внешней средой — имеет свои особенности.

10.Дыхание высвобождает энергию высокоэнергетических соединений, она запасается в молекулах АТФ, обнаруженных во всех живых клетках. Дыхание относится к процессам метаболизма (греч. metabole «перемена, превращение»), или обмена веществ и энергии.

11 Раздражимость — способность живых систем реагировать на внешние или внутренние воздействия (изменения). В организме человека раздражимость часто связана со свойством нервной, мышечной и железистой тканей осуществлять ответную реакцию в виде выработки нервного импульса, мышечного сокращения или секреции веществ (слюны, гормонов и т. д.). У живых организмов, лишенных нервной системы, раздражимость может проявляться в движениях. Так, амебы и другие простейшие покидают неблагоприятные растворы с высокой концентрацией соли. А растения изменяют положение побегов для максимального поглощения света (тянутся к свету).

Возбудимость — способность живых систем отвечать на действие раздражителя. А возбуждение конкретная ответная реакция, возникающая в итоге раздражения и возбудимости.

12.Подвижность, или способность к движению, свойственна и животным, и растениям, хотя скорости их существенно различаются. Многие одноклеточные могут двигаться с помощью особых органоидов. У многоклеточных к движению способны как клетки, так и органоиды в них. В животных, организмах движение осуществляется путем сокращения мышц.

Асимметрия — созидательный и структурообразующий принцип жизни. Неживые системы работают по законам симметрии. В классической физике имеют место законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, заряда и пр.), которые связаны со свойствами симметрии пространства и времени. В изолированных системах происходят обратимые процессы, т.е. имеет место симметрия между прошлым и будущим. Замкнутые системы само­произвольно и необратимо стремятся к равновесию, процессы идут с ростом энтропии.

Законы квантовой физики— есть проявление более глубоких симметрии. Все функ­ционально важные биомолекулы асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахара, да закручена и сама молекула ДНК — двойная спираль. Все процессы происходят с учетом спиральности, установлена даже функциональная асимметрия мозга человека.

Живое — это открытая система, использующая для сохранения упорядоченности внешнего потока энергии и вещества. Жизнь связана с непрерывным нарушением симметрии в отличие от неживых систем.

Дискретность и целостность. Дискретность – это всеобщее свойство материи: каждый атом состоит из элементарных частиц, атомы образуют молекулу. Простые молекулы входят в состав сложных соединений или кристаллов и т. д.. Живые системы резко отличаются от неживых объектов своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью. В то же время отдельный организм, или иная биологическая система (вид, биогеоценоз и др.), дискретен и целостен, т. е. состоит из отдельных изолированных (обособленных и отграниченных в пространстве), но в тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих функциональное единство. Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные органы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен митохондриями, аппарат синтеза белка – рибосомами и т. д. вплоть до макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты и т. д.), каждая из которых может выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченночти, она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида определяет возможность его эволюции путем гибели или устранения из размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.

Живые объекты в природе относительно обособлены (особи, популяции, виды). Любая особь состоит из клеток, а клетка и одноклеточные существа — из отдельных органелл. Органеллы — из дискретных, высокомолекулярных органических веществ, которые, в свою очередь, состоят из дискретных атомов, а те — из элементарных частиц. Все эти части и структуры находятся в сложных взаимодействиях, и целостность живой системы отличается от целостности неживой тем, что она поддерживается в процессе развития. И среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Жизнь на Земле проявляется в дискретных формах, причем все формы и части образуют структурно-функциональное единство.

Самовоспроизведение – способность живых организмов производить себе подобных с сохранением у потомков строения и функций родительских форм. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки рожают котят, собаки - щенков. Из семян одуванчика опять вырастет одуванчик. Размножение и обеспечивает свойство самовоспроизведения. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях организации. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии, пластиды) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации (поток информации), заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с явлением наследственности.

Наследственность. Заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена стабильностью, т. е. постоянством строения молекул ДНК.

Изменчивость. – свойство, противоположное наследственности. Оно связано с приобретением организмами новых признаков и свойств. В основе наследственной изменчивости лежат изменения биологических матриц – молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов живых организмов.

Саморегуляция – способность организмов в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (гомеостаз) на основе потока вещества, энергии и информации. При этом недостаток поступления питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Саморегуляция осуществляется разными путями благодаря деятельности регуляторных систем – нервной и эндокринной – и основана на принципе обратных связей: сигналом для включения той или иной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Так, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы инсулина, уменьшающего содержание этого сахара в крови; снижение уровня глюкозы в крови замедляет выделение гормона в кровяное русло. Уменьшение числа клеток в ткани (при пилинге, дермабразии кожи, в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление нормального количества клеток дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления).

В определении понятия «жизнь» к 80-м годам XX в. сложилось две позиции. Функциональный подход объединял сторонников представлений об организме как о своеоб­разном «черном ящике» (с неизвестной внутренней структурой или с не особенно важной), своеобразие которого в наличии «управляющих процессов» передачи информации, Лидеры этого подхода — математики А.А Ляпунов и А..Н..Колмогоров — использовали средства высшей математики в определении специфики жизни, они рассматривали гомеостатические процессы. Их больше интересовали процессы преобразования информации, и они допускали возможность и небелковых форм жизни. Сторонники другого, субстанционального, подхода признавали ключевым наличие определенных субстанций и определенных ее структур. К лидерам этого подхода относился и Опарин, для которого важнейшим было признание наличия обмена веществ, и выдающийся советский биолог В.А.Энгельгардт, Они считали, что изучение проблемы жизни должно основываться на данных химии, а не математики.