Коллектив Авторов - Концепции современного естествознания
Современная наука о клетке – цитология – представляет клетку как чрезвычайно сложноорганизованную биологическую систему. Клетка состоит из оболочки (мембраны), наполненной протоплазмой. В протоплазме находятся органоиды, выполняющие определенные специализированные функции (обмен веществ, дыхание, синтез белка и т. д.), и ядро (или нуклеотид) с генетическим аппаратом.
Элементы и компоненты биологических систем выражают дискретную составляющую живого. Живые объекты в общей системе живых организмов в природе относительно обособлены один от другого (особи, популяции, виды). Каждая особь одноклеточного или многоклеточного организма состоит из клеток. Клетка состоит из органелл. Органеллы в свою очередь представлены отдельными высокомолекулярными органическими веществами. Вследствие такой чрезвычайной сложности живых систем в природе не может быть двух одинаковых особей, популяций или видов, хотя в целом они могут быть очень близкими.
Биологические системы отличаются высоким уровнем целостности, основанной на структурах и типах связей между ее элементами. Это открытые системы, которым свойствен обмен веществом и энергией с окружающей средой. В процессе органической эволюции биологическим системам свойственны усложнение, снижение энтропии и рост самоорганизации.
Характерными особенностями живых систем кроме обмена веществом и энергией являются саморегуляция, раздражимость, синтез органических веществ, рост, размножение, адаптация к окружающей среде и передача наследственных признаков. В живых системах саморегуляция осуществляется на уровне интенсивного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей природной средой.
Фундаментальным свойством живого является опережающее возбуждение, которое лежит в основе формирования адаптивных признаков. Вследствие этого многие действия живых организмов имеют опережающий характер по отношению к окружающей природной среде. Это так называемое опережающее отражение. Живое заранее готовится, например, к смене времен года. Так, рыба средних широт уже с осени накапливает жир, готовясь к зиме; деревья задолго сбрасывают листву, многолетние растения для лучшей перезимовки накапливают в клетках углеводы. Проявление опережения может быть не только на биохимическом уровне, но и на социальном, что выражается в различного рода планированиях.
Уникальной особенностью живого является его самовоспроизведение, которое осуществляется на основе матричного принципа синтеза макромолекул. ДНК, хромосомы и гены как главные управляющие системы живых организмов обладают высокой стабильностью к идентичному самовоспроизведению, что обеспечивает передачу наследственных признаков ряду поколений. В изменяющихся условиях среды достаточно стабильное генное управление претерпевает некоторые структурные изменения. Эти изменения, мутации в выжившем и изменившемся в соответствии с условиями среды организме передаются по наследству по матричному принципу. Это приводит к разнообразию живой материи.
Концепция системно-структурных уровней организации живой материи позволяет не только представить многообразие живых организмов по уровням их сложности и специфики функционирования, но и расположить их в иерархическом порядке, где каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Критерием выделения тех или иных уровней являются специфичные дискретные структуры, а также фундаментальные биологические взаимодействия.
Существуют различные градации структурных уровней организации живой материи, которые довольно многочисленны. Среди них: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы. Имеют место и такие классификации: 1) молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценозный; 2) молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Определены и некоторые другие уровни организации живой материи. Однако классическими уровнями в современной биологии являются следующие: молекулярно-генетический, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, био-геоценотический (биосферный).
Молекулярно-генетический уровень биологических структур
Молекулярно-генетический уровень является тем уровнем организации живой материи, на котором совершался переход от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живой. Знание этого уровня организации живого необходимо для понимания жизненных явлений, происходящих на всех других уровнях организации жизни. Это уровень функционирования биополимеров, таких как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие важнейшие органические соединения, положившие начало основным процессам жизнедеятельности. На этом уровне организации живой материи элементарными структурными единицами являются гены. Вся наследственная информация у живых организмов заложена в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Реализация этой информации связана с участием молекул РНК (рибонуклеиновые кислоты). С молекулярными структурами связаны хранение, изменение и реализация наследственной информации, то есть передача ее из поколения в поколение. Поэтому этот уровень и называют молекулярно-генетическим. РНК и ДНК были выделены из ядер клеток и поэтому получили название нуклеиновых, то есть ядерных, кислот.
В этих кислотах имеются углеводные компоненты: Д-дезоксирибоза в ДНК и Д-рибоза в РНК, отсюда и название этих нуклеиновых кислот.
Роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, а также участие их в синтезе белка и обмене веществ были окончательно выяснены лишь в середине XX столетия. В 1953 г. американскими учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о структуре молекулы ДНК как материального носителя генетической информации. В 1960-е гг. французскими учеными Ж. Моно и Ф. Жакобом была решена одна из главных проблем генной активности, которая объясняла фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне.
На молекулярно-генетическом уровне важнейшей задачей современной биологии является исследование механизмов передачи генной информации, наследственности, а также изменчивости.
Одним из важнейших механизмов изменчивости на молекулярном уровне является механизм мутации генов, то есть их непосредственное преобразование под воздействием внешних факторов, вызывающих мутации (появление мутагенов), это – вирусы, радиация, токсические химические соединения.
Механизмом изменчивости может быть и рекомбинация генов, то есть создание новых их комбинаций. Этот процесс свойствен половому размножению у высших организмов. При нем не происходит изменения общего объема генетической информации. Этот механизм называется классическим.
В других так называемых неклассических случаях рекомбинация может сопровождаться увеличением информации генома клетки. В этом случае фрагменты хромосомы клетки-донора включаются в хромосому принимающей клетки. Они могут оставаться в скрытом, латентном, состоянии некоторое время, а также соединяться с принимающей клеткой (клеткой-реципиентом), когда под действием внешних факторов они становятся активными.
Клеточный уровень
Любой живой организм состоит из клеток. Клетка является элементарной самостоятельной единицей не только строения, но и функционирования живого организма. Она представляет собой мельчайшую элементарную живую систему и является основой жизнедеятельности и воспроизводства всех живых организмов.
В клетке как микроносителе жизни заключена такая генетическая информация, которая вполне достаточна для производства всего организма. На клеточном уровне идут процессы обмена веществ, процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. Поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях живой материи.
Исследование клетки стало возможным благодаря изобретению микроскопа в XVII в. Впервые клетка была описана английским естествоиспытателем Р. Гуком.
Клетки всех живых организмов сходны по своему строению и составу вещества. Всеми весьма многообразными и сложными процессами в клетке управляет особая структура – ядро. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, координирует и регулирует процессы обмена веществ в клетке, а также ее воспроизводство путем деления.
В начале XIX столетия было описано клеточное ядро, что послужило значительным толчком в развитии теории клетки. Клеточная теория явилась важнейшим событием в биологии XIX в. Именно она стала фундаментом для развития физиологии, эмбриологии, теории эволюции. Это явилось огромным шагом вперед в понимании индивидуального развития живых организмов.
