Биологический уровень организации материи

Однако серьезных доказательств  эта концепция не имеет, а многие доводы выступают против нее. Известно, что диапазон жизненных условий  для существования живого довольно узок. Поэтому вряд ли живые организмы  выжили бы в космосе под действием  ультрафиолетовых лучей, рентгеновского и космического излучения. Но и не исключается возможность занесения  отдельных предпосылочных факторов жизни на нашу планету из

Наиболее доказательно с  точки зрения современной науки  выглядит пятая гипотеза – гипотеза происхождения жизни в историческом прошлом в результате биохимической эволюции. Ее авторами являются отечественный биохимик академик А. Опарин (1923 г.) и английский физиолог С. Холдейн (1929 г.). Об этой гипотезе мы подробно будем говорить в следующем разделе.

 

Гипотеза происхождения  жизни в историческом прошлом  в результате биохимической эволюции А. И. Опарина

С точки зрения гипотезы А. Опарина, а также с позиций  современной науки возникновение  жизни из неживого вещества произошло  в результате естественных процессов  во Вселенной при длительной эволюции материи. Жизнь есть свойство материи, которое появилось на Земле в  определенный момент ее истории. Это  результат процессов, протекающих  сначала многие миллиарды лет  в масштабе Вселенной, а потом  сотни миллионов лет на Земле.

А. Опарин выделил несколько  этапов биохимической эволюции, конечной целью которых явилась примитивная  живая клетка. Эволюция шла по схеме:

1. Геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений, таких как СО₂,1 ч[Н₃,Н₂0 и т. д., переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.

2. Образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия Солнца, космического излучения и электрических разрядов.

3. Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

4. Выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.

5. Слияние таких комплексов и образование коацерватов (от лат. coacervus – сгусток, куча, накопление), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

6. Поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.

7. Образование гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой, что привело к образованию полупроницаемых мембран, что обеспечивало стабильность функционирования коацервата.

8. Выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.

Так, по гипотезе А. Опарина, появилась примитивная форма  живого вещества. Такова, по его мнению, предбиологическая эволюция вещества.

Академик В. Вернадский возникновение  жизни связывал с мощным скачком, прервавшим безжизненную эволюцию земной коры. Этот скачок (бифуркация) внес в  эволюцию столько противоречий, что  они создали условия для зарождения жизни.

3. Цитология – наука о клетке.

Цитология (от греч. κύτος – пузырьковидное образование и λόγος – слово, наука) – раздел биологии, наука о клетках, структурных единицах всех живых организмов, ставит перед собой задачи изучения строения, свойств, и функционирования живой клетки.

Клетка – это сложное, самоорганизующееся образование органоидов, являющееся микроносителем жизни, так как в каждой клетке заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Все организмы состоят из одной или многих клеток. Размеры клеток варьируются от 0,1 мкм до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).

Жизнь каждой клетки подчинена  деятельности всего организма в  целом. Клетки многоклеточных организмов неспособны к существованию в  открытой среде, за исключением одноклеточных  организмов – бактерий, простейших водорослей, грибов. Составляющие клетку части лишены жизненных способностей. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в  специальную питательную среду, могут расти и размножаться. Такая  способность клеток широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Клетка характеризуется  всеми признаками живого. Каждая отдельная  клетка является микроносителем жизни, так как в ней заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Жизнь каждой отдельной клетки организма подчинена деятельности организма в целом. Клетке свойственны все признаки живого: раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Это сложная самоорганизующаяся биохимическая «лаборатория», состоящая из большого количества четко и согласованно функционирующих органоидов. Отдельные клетки способны самостоятельно существовать только в случае, если они представляют собой одноклеточный организм. Клетки же многоклеточного организма неспособны к самостоятельному существованию в открытой среде. Основной составляющей клетки являются биополимеры, призванные осуществлять важнейшие функции в общей системе согласованных автокаталитических циклов, которые составляют основу жизни биологических систем.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления. С ростом клетки постепенно замедляются  процессы жизнедеятельности вследствие ухудшения условий питания отдельных  ее элементов. Рост клетки сопровождается также построением копий ее составляющих элементов. В связи с этим способности  управления внутренними процессами клетки снижаются, растет энтропия, что  способствует переходу в неустойчивое состояние. Далее идет деление клетки на две дочерние как выход из неустойчивого, неравновесного состояния. При делении  клетки лишняя энтропия сбрасывается наружу, а образовавшиеся две новые  клетки обретают устойчивость до момента  следующего деления. На протяжении всей жизни в любом организме идет непрерывная замена старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизнедеятельности клеток человека – один-два дня. Каждый день в организме человека погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов, которые заменяются на новые. Полная замена клеток крови человека происходит в течение четырех месяцев. Нейроны – нервные клетки – не восстанавливаются, но в течение всей жизни человека непрерывно перестраиваются.

Именно на уровне клетки имеет место гомеостаз (сохранение стабильности внутренних условий), обеспечиваемый за счет метаболизма – обмена веществ с окружающей средой. Метаболизм представляет собой весьма сложный процесс, включающий транспортировку в клетку из окружающей среды необходимых продуктов, извлечение из них запасов энергии и белка, выведение в окружающую среду продуктов жизнедеятельности в виде отходов (шлаков) и полезных с точки зрения развития организмов веществ.

Количество клеток у различных  живых систем различно. Так, у примитивных  беспозвоночных оно достигает 10²-10⁴, у высокоорганизованных организмов – 10¹⁵-10¹⁷. Масса клетки составляет 10^-8-10^-9 г. Средний размер соматической клетки живого организма достигает в диаметре 10–20 мкм, а растительной – 30–50 мкм.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления  и образования дочерних клеток. В  зависимости от типа клеток все организмы  делятся на две группы – прокариот  и эукариот. К прокариотам относятся  бактерии, а к эукариотам – все  остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут  быть одноклеточными и многоклеточными. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 4–3,5 млрд. лет назад, были прокариоты.

4. Обмен веществ, фотосинтез, биосинтез

Назначение  обмена веществ - поддерживать уровень упорядоченности организма и его частей. Задача решается путем отбора извне таких веществ, которые после соответствующей их переработки в организме обеспечивали бы протекание синтеза соединений. С другой стороны, эта система выводит из организма все, что не может быть им утилизовано или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена предстает цепью тончайшим образом взаимосогласованных биохимических реакций синтеза и расщепления белковых тел. Лучшие наши химические производства 'могут только завидовать тому, как экономна, надежно и филигранно точно осуществляет природа функцию обмена у всех своих созданий - от простейшей клетки до высших организмов.

Для протекания всех многочисленных процессов в клетке и для функционирования всего организма в целом необходимо потреблять определённое количество энергии. Основным источником энергии для  живых организмов, как и для  большинства процессов на планете, является солнечная радиация. Потребление  энергии живыми организмами начинается с поглощения растениями части видимого электромагнитного излучения с  длиной волны от 400 до 750 нм.

За счёт поглощённой световой энергии растения осуществляют фотосинтез, который представляет собой сложную  многоступенчатую сборку органических молекул из различных неорганических веществ. В очень упрощенном виде фотосинтез может быть представлен в виде химической реакции: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Из углекислого газа и  воды образуется органическое вещество (глюкоза) и кислород. Суть процесса состоит в том, что атомы водорода отрываются от молекул воды и переносятся  на углерод, превращая его из минеральной (окисленной) формы в восстановленную органическую. Энергия при этом оказывается запасённой в виде энергии химических связей атомов органических молекул и может в дальнейшем использоваться самими растениями, а также всеми организмами, нуждающимися в готовой органической пище.

Фотосинтез протекает  в специальных двумембранных органоидах клеток растений — хлоропластах

Фотосинтез может быть представлен в виде световой и  темновой стадий. Световая стадия начинается с попадания кванта света в молекулу хлрофилла (Хл) и выбивания электрона (ē), который начинает перемещаться по цепочке ферментов, постепенно теряя полученную от фотона энергию.

Мембраны, подобные внутренним мембранам хлоропластов, осуществляющим синтез АТФ, называются энергообразующими в отличие от остальных мембран клетки, являющихся энергопотребляющими.

Способы питания, подобные фотосинтезу, при которых органические вещества синтезируются из неорганических, называются автотрофным питанием, а организмы, использующие такое питание, называются автотрофами. Растения, в частности, являются фотавтотрофами.

Биосинтез белка – система сложных и последовательных реакций, в котором участвуют молекулы ДНК, все типы РНК, АТФ, ферменты, аминокислоты. Процесс состоит из нескольких этапов.

1. Транскрипция – синтез иРНК на матрице одной из цепей ДНК, т.е. переписывание информации, хранящейся в молекуле ДНК. На ДНК-матрице образуется три вида РНК: информационная, или матричная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Синтез иРНК состоит из фазы инициации, элонгации и терминации. Образующаяся «сырая» иРНК состоит из экзонов (кодирующих участков) и интронов (некодирующих участков). Далее процесс созревания иРНК подразумевает удаление из нее интронов – процессинг и сшивку экзонов – сплайсинг. В виде иРНК генетическая информация для синтеза полипептида передается от ДНК к рибосомам; тРНК доставляют к рибосомам аминокислоты (каждую аминокислоту доставляет особый, именно для нее предназначенный вид тРНК). Главным компонентом рибосом является рРНК.

2. Трансляция – процесс перевода генетической информации иРНК в последовательность аминокислот в полипептиде. Процесс осуществляется в рибосомах на иРНК, в ней в виде последовательности нуклеотидов содержится генетический код о белковых молекулах.

В состав белков входит 20 аминокислот, их кодируют четыре вида нуклеотидов (аденин А, гуанин Г, цитозин Ц, урацил У) по три.

1 аминокислота = 3 нуклеотида

Три нуклеотида, образующих кодовый знак, называют триплетом. Например, ААА – лизин, АГА – аргинин, ГЦУ – аланин. Триплеты в молекуле РНК называют кодонами, а комплементарные им триплеты молекул тРНК – антидодонами.  Из 64 триплетов 3 не кодируют аминокислоты – это стоп-сигналы (УАА, УАГ, УГА).

Многие аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (АГУ, АГЦ, УЦУ и др. кодируют серин); в этом смысле код является вырожденным.

Генетический код одинаков, т.е. универсален для всех живых организмов (вирусов, бактерий, грибов, растений, животных) – во всех группах он слагается из одних тex же дезоксирибонуклеотидов, включающих два пуриновых осованиния (аденин А и гуанин Г) и два пиримидиновьгх (цитозин Ц и тимин Т).

Во всем органическом мире строго соблюдаются закономерности, называемые правила Чаграффа:

1. Сумма пуриновых нуклеотидов  равна сумме пиримидиновых  
нуклеотидов: (А + Г = Т + Ц).

2. Содержание аденина равно содержанию тимина: А = Т.

3. Содержание гуанина  равно содержанию цитозина: Г = Ц.

4. Суммы Г + Т и А  + Ц равны, т.е. Г + Т = А + Ц.

5. Содержание Г + Ц и А + Т может варьировать в довольно значительных пределах.

5. Размножение и развитие организмов

В сложном процессе возникновения  жизни на Земле можно выделить несколько основных этапов. Первый из них связан с образованием простейших органических соединений из неорганических.

Происхождение жизни связано  с длительной эволюцией углеродных соединений на поверхности первичной  планеты.

На начальных этапах своей  истории Земля представляла собой  раскаленную планету. Вследствие вращения при постепенном снижении температуры  атомы тяжелых элементов перемещались к центру, а в поверхностных  слоях концентрировались атомы  легких элементов (водорода, углерода, кислорода, азота), из которых и состоят  тела живых организмов. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: вода, метан, углекислый газ, аммиак, цианистый водород, а также  молекулярный водород, кислород, азот. Благодаря физическим и химическим свойствам воды (высокий дипольный  момент, вязкость, теплоемкость и т. д.) и углерода (трудность образования  окислов, способность к восстановлению и образованию линейных соединений) они оказались у колыбели жизни.