ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

Как уже отмечалось выше, на сегодняшний день известны 112 химических элементов, однако основу живых систем составляют только 6 из них, которые в связи в этим обстоятельством получили название органогенов. Это углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S). Их общая весовая доля в живой материи составляет 97,4%. К участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов. К настоящему моменту науке известно всего около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) − это органические соединения, основной «строительный материал» которых – перечисленные выше элементы. Из остальных химических элементов природа создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Резкая диспропорция между громадным множеством органических соединений и малым количеством составляющих их элементов, а также факт принадлежности этих же элементов к органогенам нельзя объяснить на основе различной распространенности элементов. На Земле наиболее распространенными являются кислород, кремний, алюминий, железо, тогда как углерод занимает лишь 16-е место. Совместная же весовая доля важнейших органогенов (С, N, Р, S) в поверхностных слоях Земли всего около 0,24%. Следовательно, геохимические условия не сыграли сколько-нибудь существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Тогда возникает вопрос: по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органогенов? Выделяют признаки, по которым происходил этот «естественный отбор» элементов (хемогенез). Это, вопервых, способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, т.е. изменчивыми, перестраиваемыми.

Именно поэтому углерод был отобран эволюцией как органоген № 1. Он в полной мере отвечает перечисленным выше требованиям. Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец. Углеродные атомы образуют связи с остальными элементамиорганогенами (H, N, О, Р, S). Соединение с этими и другими элементами в различных комбинациях образует колоссальное разнообразие органических соединений. Оно проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах.

Кислород и водород нельзя считать столь же лабильными, как углерод; их, скорее, следует рассматривать в качестве носителей крайних и односторонних свойств − окислительных и восстановительных. Лабильные атомы серы, фосфора и железа имеют большое значение в биохимии, в то время как стабильные − кремний, алюминий, натрий, составляющие несравненно большую часть земной коры, играют второстепенную роль.

Подобно тому, как из всех химических элементов только 6 органогенов, да еще 10 − 15 других элементов отобраны природой в основу биосистем, так же и в предбиологической эволюции шел отбор химических соединений. Из милли-

107

онов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав белка входит только 20.

Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс − биосистема? Химикам важно это понять для того, чтобы научиться у природы создавать технологии синтеза сложных соединений из самого простого сырья. В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные выводы:

1.На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.

2.Первые проявления катализа возникают при смягчении условий (температура менее 5000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными. Но общее значение катализа вплоть до образования достаточно сложных органических молекул еще не могло быть высоким.

3.После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических путей и обладали широким каталитическим спектром.

4.В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

5.Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую и биологическую линию эволюции, являются развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК, исполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, выдвинутая в 1964 г. А.П. Руденко, по существу представляет собой единую теорию хемо- и биогенеза. Она решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, то есть о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур, о сложности химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Эта теория является в настоящее время основанием эволюционной концепции в химии. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.

Таким образом, эволюционная химия совместно с другими естественными науками постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим и к созданию новейших технологий на принципах, заимствованных у природы.

108

ВВЕДЕНИЕ В УЕ 3.3.

Основные биологические концепции. Концепция системности

Цель изучения

1.Разобраться с терминологией вопроса (гены, аллели, хромосомы, гомо- и гетерозигота и т.д.).

2.Расширить представления о структуре и организации биологического уровня организации живой материи, в частности, о строении и функциях белков, нуклеиновых кислот.

3.Познакомиться с концепцией системности и молекулярно-генетической концепцией, а также с матричными процессами жизни.

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪ иметь базовые представления по общей биологии в объеме средней школы.

В результате изучения Вы будете знать

▪основные термины, описывающие биологический уровень материи, его структуру и организацию;

▪концепцию системности, молекулярно-генетическую концепцию и матричные процессы в клетке.

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 3.3.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

3.По ходу изучения отвечайте на вопросы (самоконтроль):

а) Покажите отличия между геном и аллелями, гомозиготой и гетерозиготой?

б) Как устроены белки и нуклеиновые кислоты? Опишите их функции.

в) Перечислите особенности биологического уровня организации? г) На каких уровнях изучается живая материя?

д) Опишите основные механизмы транскрипции, репликации, трансляции.

109

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ УЕ 3.3.

Основные биологические концепции. Концепция системности

▪Аллели – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках хромосом.

▪Ген – это единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства.

▪Генотип – совокупность генов конкретного организма (его полный хромосомный набор), определяющих его признаки.

▪Гомеостаз – постоянство внутренней среды организма.

▪Популяция – совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, связанных единством происхождения, образом жизни.

▪Репликация – создание новой молекулы ДНК на матрице старой.

▪Самоорганизация − свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения структуры своей системы управления.

▪Саморегуляция − свойство живых систем автоматически поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы.

▪Транскрипция – создание информационной РНК (иРНК) на матрице

ДНК.

▪Трансляция – создание аминокислотной цепи (будущий белок) на матрице РНК.

▪Хиральность – свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в зеркале.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ УЕ 3.3.

Основные биологические концепции. Концепция системности

Биология – наука о жизни, ее формах и закономерностях развития. Предметом ее изучения является многообразие вымерших и ныне населя-

ющих Землю живых существ, их строение, функции, происхождение, индивидуальное развитие, эволюция, распространение, взаимоотношения друг с другом и окружающей средой. Сегодня биология – это целый комплекс наук: анатомия, морфология, физиология, цитология, гистология, генетика, биофизика, биохимия, биология развития, эволюционное учение, экология.

Значение биологии – способствует решению практических задач: выведение новых сортов культурных растений и пород домашних животных, борьба с вредителями, лечение и профилактика заболеваний, синтез необходимых веществ (гормоны, ферменты, антибиотики, витамины др.) с помощью микроорганизмов.

110

В своем развитии биология претерпела характерные изменения - от мифических представлений античности о живой природе до механистических во времена Ньютона и, наконец, эволюционных идей.

Особенности биологического уровня организации живой материи

Живые системы представляют собой особую ступень развития материи. Все живые системы нашей планеты возникли в результате эволюции из

неживого. Все законы физики верны для живого и неживого. Отличие состоит в высокой структурной и функциональной сложности живых систем. Рассмотрим некоторые особенности (признаки) живых систем.

1.Единство химического состава. В живых организмах 98% химического состава приходится на: кислород − 62%, углерод − 20%, водород − 10%, азот − 3%, сера − 2,5%, фосфор − 1%. Эти атомы образуют совокупность сложных полимеров (в основном белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т. д.), являющихся важным структурным элементом живых организмов, которых нет в неживых системах. Особенностью биополимеров является высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные надмолекулярные структуры, разнообразные по строению и свойствам.

2.Открытость живых систем. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ

иэнергии, благодаря чему в системе осуществляется обмен веществ − метаболизм.

3.Саморегуляция и самоорганизация живых систем.

•Саморегуляция − свойство живых систем автоматически поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы (например, рН, температуру, количество воды, углекислого газ и т.д.), т. е. обеспечивать гомеостаз – постоянство внутренней среды организма.

•Самоорганизация − свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения структуры своей системы управления. Изменение структуры системы управления происходит в живой системе в процессе переработки поступающей из внешней среды информации.

4.Самовоспроизводимость живых систем. Живые системы существуют ограниченное время, и поэтому для своего сохранения они должны постоянно самовоспроизводиться. В основе этого процесса лежит образование новых молекул и структур по генетической программе, которая заложена в ДНК клеток, благодаря чему живая система воспроизводит себе подобную.

5.Хиральность живого. Молекулы сложных органических веществ, из которых состоит живое, обладают свойством зеркальной асимметрии – хиральностью. (Хиральностьсвойство молекулы не совмещаться со своим отображением в зеркале). Например, аминокислоты существуют в двух формах, называемых L –(левой) и D – (правой) формам (рис. 3). Хорошо видно, что эти формы отличаются пространственным расположение четырех групп.

111

Молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. Большинство сахаров живых организмов – «правые».

Рис. 3. Хиральность биологических систем

6. Живые системы способны к росту и развитию.

Кроме указанных основных признаков имеются и другие, которых, по данным разных ученых, насчитывается 20-30.

Основные биологические концепции

I. Концепция системности;

II. Молекулярно-генетическая концепция; III. Эволюционная концепция;

IV. Концепция происхождения жизни;

V.Концепция биосферы-ноосферы.

I. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОСТИ

Суть концепции: жизнь на Земле представлена организмами, принадлежащими к определенным систематическим группам, а также сообществам разной сложности, которые связаны между собой иерархическими отношениями.

Выделяют несколько основных уровней организации живой материи: мо- лекулярно-генетический, клеточный, тканевый, органный, организменный, по- пуляционно-видовой, биогеоценозный (экосистемный), биосферный.

Каждая живая система состоит из более мелких. Например, организм состоит из органов, орган – из тканей, ткани – из клеток («Модель матрешки», когда низший, более простой уровень, входит в более сложный уровень. Без нижележащих уровней – не существует вышележащих).

112

Уровни организации живого

1.Низший – молекулярно-генетический. Живая система на этом уровне представлена в виде функционирования биологически активных макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. Уже с этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. Все разнообразие окружающего биологического мира всецело определяется информацией, заложенной на молекулярногенетическом уровне.

2.Клеточный. Биологически активные молекулы сочетаются в единой системе (клетке). Клетка – наименьшая структурная и функциональная единица живого организма. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Они обладают разнообразием форм, размеров, функций. На клеточном уровне соединяются передача информации и превращение веществ и энергии, осуществляются все главные жизненные процессы: дыхание, питание, размножение, выделение. Существуют клетки, не содержащие ядра, - прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток, имеющих ядро – эукариотов.

3.Тканевый уровень. Сочетание однородных клеток образует живую ткань. Это совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций. Из тканей состоят различные органы живых организмов.

4.Органный уровень. Сочетание нескольких типов функционально взаимодействующих тканей образует определенный орган.

5.Организменный. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Элементарной единицей служит особь, которая рассматривается в развитии - от момента зарождения до прекращения существования - как живая система.

6.Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, связанных единством происхождения, образом жизни – это популяция. Вид обычно состоит из нескольких популяций. Именно на этом уровне происходят элементарные эволюционные преобразования.

7.Биогеоценотический (экосистемный). Биогеоценоз - совокупность ор-

ганизмов разных видов и факторов среды их обитания.

6.Биосферный. Биосфера - совокупность всех биогеоценозов Земли; система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.

113

II. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Суть концепции: все живое построено из молекул сложных органических

функции и свойства живого организма, включая наследование признаков и их организмы являются единством фенотипа и про-

ся карбоксильная (кислотная) группа (-СООН) и

химических веществ, радиации и т.д.

:

1.Строительная функция – построение клеточных структур;

2.Каталитическая (ускорение химических реакций) – белки-ферменты;

3.Энергетическая – белки могут служить источником энергии для

4.Транспортная – гемоглобин (переносит кислород);

5.Сигнальная – рецепторные белки участвуют в образовании нервного

6. – белки-антитела; 7. Регуляторная – гормоны (инсулин, регулирует потребление глюко-

114

Остаток фосф-й

сахар

тах строения. Каждый нуклеотид состоит из трех ком-

понентов, соединенных проч- Рис. 5. Схема строения нуклеотида ными химическими связями

(Рис.6).

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК,

115

спиралью. Особенностью структуры ДНК является то, что против одного азотистого основания в одной цепи лежит строго определенное азотистое основание в другой цепи. Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга). Спаривание оснований по принципу комплементарности пояснено на рисунке, из которого видно, что между аденином и тимином могут образовываться две, а между цитозином и гуанином – три водородные связи (А=Т; Г≡Ц).

Матричные процессы жизни

Белки и нуклеиновые кислоты – основные структурные элементы, из которых состоит живое. Эти органические соединения образуются в результате

процессов матричного копирования:

1. Новая ДНК создается на матрице старой (процесс репликации).

При репликации ДНК разделяется на две цепи, после чего вдоль каждой цепи из нуклеотидов, свободно пребывающих внутри клетки, выстраивается еще одна цепь, в точности идентичная матричной.

2. Информационная РНК (иРНК) создается на матрице ДНК (процесс транскрипции).

Транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК.

Обратите внимание, что на иРНК вместо Тимина содержится Урацил.

116