Структурные уровни организации живых систем
Мир живого чрезвычайно сложен и многообразен, он представлен
и очень простыми одноклеточными организмами,
и очень сложными многоклеточными организмами, которые обладают высокой специализацией клеток.
Структурные уровни организации живых систем отличаются
сложностью и закономерностями функционирования
и являются иерархически соподчинёнными.
Различают четыре уровня организации живой материи:
молекулярно-генетический, который обеспечивает передачу наследственной информации.
онтогенетический, который отражает изменение признаков деятельности и функций отдельных особей от их рождения до смерти.
популяционно-биоценотический, который выражает взаимодействия особей внутри популяции и взаимодействие популяции с окружающей средой её обитания.
биосферный, который включает всю совокупность живых организмов на Земле с окружающей их природной средой, их взаимодействие и влияние друг на друга.
Каждый нижележащий биологический уровень входит в содержание вышележащего уровня, являясь базовой основой его формирования.
Молекулярно-генетический уровень
Проблемы, которые исследуются на этом уровне, касаются вопросов:
происхождения жизни,
молекулярно-генетического подхода к изучению эволюции,
молекулярных основ генетической репродукции и процессов обмена веществ.
_________________________________
Концепции возникновения жизни
Существует несколько точек зрения на природу возникновения жизни на Земле. Мы рассмотрим наиболее авторитетные из них.
Концепция креационизма полагает, что жизнь была сотворена Богом. Эта концепция возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой её сотворил Бог. В рамках этой концепции практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. Тем не менее, эта концепция имеет много сторонников.
Теория самопроизвольного (спонтанного) зарождения жизни. Этой теории придерживался Аристотель, согласно взглядам которого определённые «частицы» вещества содержат некое «активное начало», способное при определённых условиях создать живой организм. Вопрос о том, откуда взялся первый живой организм так и остался открытым.
Благодаря огромному авторитету Аристотеля и таких его сторонников, как Коперник, Галилей, Декарт и др., эта точка зрения просуществовала вплоть до середины 19 века.
Она была поставлена под сомнение
ещё в 17 веке опытами итальянского биолога и врача Франческо Реди, который утверждал, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни;
затем в 18 веке работами Ладзаро Спалланцани, доказавшего, что в стерильных растворах жизнь не зарождается;
и, наконец, лишь в 1860 году, благодаря опытам Луи Пастера, который показал, что живые существа способны поселяться везде на неживых материалах и в подходящих условиях развиваться, но высокая температура может уничтожить все формы живого,
теория самопроизвольного зарождения жизни была практически опровергнута.
Теория панспермии внеземного происхождения жизни начинает своё существование в 60-х годах 19 века.
Теория утверждает, что жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики или Вселенной и началась на Земле после того, как в виде зародышей попала из космоса на нашу планету.
Согласно гипотезе современных учёных Хойла и Викрамасинга наша планета ежегодно получает 1018 спор как остаток кометного материала, рассеянного в Солнечной системе, мы и сейчас продолжаем получать из космоса живые организмы в виде вирусов и бактерий. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, попав на Землю, могли сыграть роль «семян».
Сторонниками этой теории были такие известные учёные, как Сванте Аррениус, Герман Гельмгольц, Владимир Вернадский, что способствовало её широкому распространению среди учёных.
Тем не менее, пока эта теория полного научного обоснования не получила. К тому же она не решает проблемы происхождения жизни, а лишь выносит их за пределы Земли.
В современной научной литературе существует также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за всё время существования нашей планеты.
В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы провести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности.
Американский генетик Герман Меллер в 1929 году развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная «живая генная молекула», обладавшая внутримолекулярным жизнеопределяющим строением, которое она пронесла неизменным через всё развитие земной жизни.
Долгое время моделью такой «живой молекулы» считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни: сначала должна была возникнуть жизнь, а затем вирус.
Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала.
Таким образом, на протяжении веков менялись взгляды на проблему возникновения жизни, но наука всё ещё далека от её решения.
___________________________________
С позиций современного естествознания реально рассматривать жизнь как особую форму движения материи возникающую на определённом этапе её развития.
Поэтому сегодня наиболее перспективным считается направление исследований в рамках биохимической эволюции.
Эта теория рассматривает возникновение жизни из неживой материи на нашей планете в ходе процесса самоорганизации, полагая, что возникновение жизни содержало элемент случайности, но в своей основе было закономерным.
Предполагается, что появление жизни произошло в ходе эволюционного процесса.
Молекулярно-генетический уровень организации живой материи тот уровень организации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого.
Белки органические соединения, входящие в состав всех живых организмов.
Белки являются биополимерными макромолекулами и состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре мономеров аминокислот. В состав белка входит 20 аминокислот (причём 12 из них могут синтезироваться в человеческом организме, остальные восемь должны содержаться в нашей диете).
Простейшим примером аминокислоты является глицин:
Н О
H2N С С
Н ОН
Характерным физическим свойством аминокислот, содержащихся в живых организмах, является то, что все они способны отклонять поляризованный луч света. Оптическая активность аминокислот связана с их асимметричным строением.
Сегодня считается, что молекулярная асимметрия, а согласно современной терминологии, молекулярная хиральность, является отличительным признаком живой материи, присуща только живой материи и является её неотъемлемым свойством.
Научные исследования позволили выявить то специфическое, что на молекулярном уровне отличает живое от неживого.
Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, которые обладали свойствами кислот и получили название нуклеиновые (то есть ядерные) кислоты.
Нуклеиновые кислоты являются материальными носителями генетического кода, который определяет последовательность аминокислот в белках. Именно эта генетическая информация программирует структуру и метаболическую (метаболизм обмен веществ) активность живых организмов.
Один тип этих кислот получил сокращенное название:
РНК рибонуклеиновая кислота,
другой ДНК дезоксирибонуклеиновая кислота.
Молекула ДНК состоит из двух нитей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой, то есть свернутые в двойную спираль. Две нити ДНК удерживаются вместе водородными связями.
Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном из набора белков организма, называется геном. Гены расположены в хромосомах структурных элементах ядра клетки.
Хотя генетическая информация определяется последовательностью оснований в молекуле ДНК, сама эта молекула не принимает участия в синтезе белков. Она передаёт необходимую для этого информацию путем образования молекулы РНК.
Синтез ДНК и РНК происходит в клеточном ядре, а синтез белков в цитоплазме, окружающей клеточное ядро.
В решении вопроса о происхождении жизни сегодня самым сложным считают характеристику структурных и функциональных особенностей доклеточного предка.
Современной биологии хорошо известно, что для саморепродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков нуклеиновые кислоты.
В связи с этим встаёт вопрос,
что же было первичным белки или нуклеиновые кислоты?
Если они возникли не одновременно, то на каком этапе эволюции произошло их объединение в единую систему?
Все существующие на этот счёт концепции составляют основу двух гипотез: гипотезы голобиоза и гипотезы генобиоза.
В основу гипотезы голобиоза заложена идея о том, что структурную основу доклеточного предка биоида составляют жизнеспособные открытые микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментативного механизма.
Сторонников этой гипотезы объединяют две главные позиции:
признание первичности белковой субстанции, способной к автокатализу, близкому к ферментативному,
и отсутствие систем с функциями генетического кода.
Появление нуклеиновых кислот в этой гипотезе рассматривается как итог эволюционных процессов.
Слабым звеном этой теории является её неспособность объяснить самовоспроизводство белковых систем, то есть объяснить, как произошёл скачок от неживого к живому.
Сторонники гипотезы генобиоза считают, что первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции.
Общее признание в рамках гипотезы генобиоза получила идея, согласно которой молекулярным «блоком», составившим основу для зарождения живого, могла быть одна из макромолекул ДНК или РНК.
Но какая из этих информационных молекул появилась первой?
В настоящее время доказано, что передача генетической информации идёт в направлении ДНК РНК белок. Но современная ДНК сама по себе беспомощна, она может функционировать только при наличии ферментовбелков. Как же она могла существовать ранее?
Ответ был получен к концу 1980 годов.
Первичной была признана молекула РНК.
Оказалось, что молекула РНК наделена такой же генетической памятью, как и ДНК. Было установлено, что молекула РНК вездесуща нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, но есть множество вирусов, геном которых составляет РНК, а не ДНК.
Кроме того, оказалось, что возможен перенос генетической информации от РНК к ДНК при участии фермента ревертазы, который был открыт в начале 1970-годов.
В начале 1980 годов была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, то есть открыта её автокаталитическая функция.
В результате сформировалось чёткое представление о том, что древняя РНК совмещала в себе каталитическую и информационно-генетическую функции, она могла эволюционировать.
Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой СН-связи более прочны, чем СОН-связи РНК и лучше содействуют реакциям фосфорилирования и полимеризации аминокислотных остатков.
НОН2С О ОН НОН2С О ОН
Н Н Н Н
Н Н Н Н
ОН ОН ОН Н
рибоза 2-дезоксирибоза
(компонент РНК) (компонент ДНК)
Так в настоящее время решается центральный вопрос проблемы происхождения жизни на Земле вопрос об эволюции доклеточного предка живой материи.