Биология. Этап биологии и микромира

ЛЕКЦИЯ 10 БИОЛОГИЯ Основные понятия Аминокислота Органическое соединение Всего известно 150 Аминокисот Из 20 Аминокислот построены все белки комбинаций Белок высокомолекулярное органическое соединение, состоит из соединения различных аминокислот. В теле человек 10 млн. различных белков Это белков Клетка Элементарная живая система, простейшее. Новорожденный состоит из клеток Ген Участок молекулы ДНК, наследственный фактор, единица наследственной информации, отвечает за синтез определенного белка Генетический код Определяет порядок включения аминокислот в состав белка Метаболизм Превращение веществ, поступающих в клетку, в другие вещества. Метаболизм белков, метаболизм глюкозы и .... Биохимические реакции по усвоению веществ (пищи), построению из них тела и удалению продуктов реакций. Нуклеиновые кислоты ДНК –Дезоксирибонуклеиновая кислота РНК - Рибонуклеиновая кислота Мутации Изменение (естеств. или искусствен.) наследственных свойств организма (его генотипа) Хиральность Особенность аминокислот живых организмов, состоящая в способности к лево-вращению плоскости поляризации, т.е. к отклонению поляризованного луча света при его прохождении через живое вещество. Автотрофный тип питания Потребление углекислоты – бактерии Фотосинтез – растения Гетеротрофный тип Потребление органической пищи Популяция (народ) – организмы одного вида Надорганизменные уровни организации живых систем 1. Популяция. Популяционный уровень 2. Система популяций - Биоценоз 3. Система биоценозов – Биогеоценоз (В.Н. Сукачев) 4. Система биогеоценозов - Биосфера (1875г. Зюсс) 5. Ноосфера – сфера разума (Вернадский) Биология – совокупность наук о живой природе, о многообразии живых организмов • Об их Происхождении • Строении • Распространении и развитии Биология изучает закономерности живого во всех его проявлениях • Обмен веществ • Воспроизводство • Наследственность • Изменчивость • Приспособляемость Три наиболее крупных этапа развития биологии • ЭТАП систематики • ЭТАП биологии и микромира • ЭТАП Эволюции Биология не вышла на уровень теоретических обобщений, и не имеет собственной научной картины мира. Теоретическая биология в самом начале своего пути развития? Поразительная неэффективность математики в биологии! ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ ЭТАП СИСТЕМАТИКИ, натуралистическая биология. • Биология как описательная наука. • Основные методы исследования - анализ, систематизация и классификация эмпирического материала о живых организмах. • Первая классификация растений и животных предложена Карлом Линнеем (1707-1778). В его работе «Система природы» определены важнейшие понятия - вида, рода, класса В основе систематики Линнея лежит ВИД (например: заяц-русак, Homo sapiens = человек–разумный, береза пушистая). ВИД объединяет организмы по морфологическим признакам (форме и строению). Близкие виды объединяются в РОДЫ (березы, воробьи, нерпы и.т.д.) Сходные РОДЫ в ОТРЯДЫ ОТРЯДЫ в КЛАССЫ Считается, что сегодня описано только 2/3 существующих видов. ЭТАП БИОЛОГИИ И МИКРОМИРА. Изучение анатомии и физиологии растений и животных, Процессов жизнедеятельности организмов в целом и их отдельных органов. Изучение жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях (исп. микроскопа) В XIX в. возникли представления о том, что явления жизни подчиняются законам физики и химии. Это привело возникновению физико-химической биологии. Методы физики и химии широко использовали Л.Пастер, И.Сеченов, И.Павлов, и др.) В XX в. появилась молекулярная генетика и молекулярная биология – объекты исследования клетка, нуклеиновые кислоты, белки, синтез белка и …. ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭТАП Идея развития живого проникла в биологию из физики и истории в XIX веке. Первая эволюционная идея принадлежит Ж.Б.Ламарку (1744-1829). В книге «Философия зоологии», издана 1809 году, он первым утверждал об изменениях организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. Несколько тысяч лет для природы – не более чем секунда в жизни вида. Однако на важнейший вопрос о причине эволюционного развития Ламарк связывал с заложенным в организмах стремлением к совершенству и восходит к творцу. Подлинная революция в биологии произошла в 1859 году с появлением теории эволюции Ч.Дарвина (1809-1882), вышла его книга «Происхождение видов путем естественного отбора» (плавание на Бигле в 1831-1836 годах). Заметим - происхождение видов, а не жизни и организмов. Теория эволюции Дарвина построена на трех понятиях: • Изменчивость - способность организмов приобретать новые свойства и признаки по разным причинам. Это первое и главное звено эволюции • Наследственность – способность организма передавать свои свойства и признаки последующим поколениям • Естественный отбор – результат борьбы за существование, выживание и размножение наиболее приспособленных организмов. Эти фундаментальные понятия биологии определяют движущие силы эволюции органического мира, и в первую очередь развитие и становление биологических видов – ВИДООБРАЗОВАНИЕ. СУЩЬНОСТЬ ЖИЗНИ Современная биология, определяя живое, идет по пути перечисления основных свойств живых организмов Жизнь, живые организмы • сложные упорядоченные структуры, уровень организации в которых выше чем в неживых системах • это открытые системы, существующие благодаря поглощению энергии (диссипативные системы), осуществляющие обмен веществ внутри себя и с внешней средой • способные к росту, развитию, активной регуляции своего состава, хорошо приспособленые к среде своего обитания • самоподдержание, самовоспроизведение ЖИЗНЬ, это 1. особая форма существования и физико-химического состояния материи, 2. характеризуется зеркальной асимметрией аминокислот и сахаров, 3. обмен веществ и энергии со средой, 4. раздражимость 5. самовоспроизведение, самообновлением, саморазвитием, 6. системное самоуправление, 7. приспособляемость к среде, 8. способность к движению в пространстве, 9. передача энергии и информации, 10. физическая дискретностью отдельных особей 11. общее физико-химическое единство всего живого вещества Земли и, возможно, Вселенной Химический состав живых организмов. Во всех живых организмах 98% приходится на 6 элементов: 60% кислород 20% углерод 10% водород 3,5% кальций 3% азот 1% фосфор Жизнь зародилась на Земле около 3,8 млрд. лет назад (возраст Земли – 5,5 млрд. лет) 98% химического состава живых организмов приходится • на 6 химических элементов: углерод, кислород, азот и водород, кальций, фосфор • на 4 сложных органических молекул: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белков, полисахаридов, жиров Белки построены из остатков 20 аминокислот. Всего аминокислот около 150 В человеке около 10 млн. различных белков Разнообразие ДНК оценивается 10 в (50 – 1000) степени Все организмы, имеющие клеточное строение, делятся на две группы: • ПРОКАРИОТЫ (предъядерные – бактерии, археи) Появились 3,8 млрд. лет назад • ЭУКАРИОТЫ (ядерные – животные растения, грибы). Появились 1,5–2 млрд. лет назад. ВИРУСЫ и бактериофаги – неклеточные организмы РАЗМЕРЫ КЛЕТОК Диаметр клетки прокариот - 0,5–10 мкм, эукариот - 10–100 мкм. Объём клетки эукариот в 1000–10000 раз больше, чем прокариотной. Клетки прокариот имеют относительно простое строение. В ней нет ядра, содержится только одна хромосома, которая не отделена от остальной части клетки мембраной, а лежит непосредственно в цитоплазме.  Сравнительная характеристика клеток Прокариот и Эукариот Признаки Прокариоты Эукариоты Ядро ДНК Хромосомы Митоз Мейоз Гаметы Митохондрии Способ поглощения пищи (питание) НЕТ ДНК замкнута в кольцо 1 НЕТ НЕТ НЕТ НЕТ Адсорбция через клеточную мембрану Есть ДНК имеет линейную структуру Есть Есть Есть Есть Есть Фагоцитоз и пиноцитоз Прокариоты: бактерии, сине-зеленые водоросли и …. Общее число видов около 6000 Древнейшие организмы, размножающиеся делением. Простейшие без выраженного ядра и хромосом. Наследственность через ДНК. Эукариоты: грибы, растения и животные, высшие организмы Голосеменные- хвойные растения Покрытосеменные – все остальные растения Жизнь — активная форма существования материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и её деление (вне клетки жизнь не существует, вирусы проявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку). Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов. Основной атрибут живой материи — генетическая информация, используемая для репликации. Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от нежизни. Сегодня нет единого мнения относительно понятия жизни, однако учёные признают, что биологическое проявление жизни характеризуется: • организацией, • метаболизмом, • ростом, • адаптацией, • реакцией на раздражители • и воспроизводством. Также можно сказать, что жизнь является характеристикой состояния организма. Определения Имеется большое число определений понятия «жизнь», отражающих различные подходы. Многочисленные определения сущности жизни можно свести к трем основным. • согласно первому подходу, жизнь определяется носителем её свойств (например, белком); • согласно второму подходу, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов. • третий подход — определить минимально возможный набор обязательных свойств, без которых никакая жизнь невозможна. Фридрих Энгельс дал следующее определение: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение молекулярной структуры.[6] Русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот». Согласно взглядам одного из основоположников танатологии М. Биша, жизнь — это совокупность явлений, сопротивляющихся смерти. С точки зрения второго начала термодинамики, жизнь — это процесс, или система, вектор развития которой противоположен по направлению остальным, «неживым» объектам вселенной, и направлен на уменьшение собственной энтропии. Акад. В. Н. Пармон дал следующее определение: «Жизнь — это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счёт естественного отбора»[7]. По Озангеру и Моровицу «Жизнь есть свойство материи, приводящее к сопряженной циркуляции биоэлементов в водной среде, движимая, в конечном счете, энергией солнечного излучения по пути увеличения сложности» Существуют кибернетические определения жизни. По определению А. А. Ляпунова, жизнь — это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Существует и физиологическое определение жизни, данное в 1929 году А. Ф. Самойловым: «Жизнь — это замкнутый круг рефлекторной деятельности». Разрыв данного круга в любом его месте (состояние «комы») означает резкое ограничение параметров жизни или даже отсутствие жизни. Сейчас можно несколько расширить данное понятие и указать причины, от которых зависит данный «замкнутый круг». А именно: состояние внешней среды, «власти воли» индивидуума, внутренних вегетативных начал организма, неподвластных «власти воли». Отметим, что понятие «власть воли» так же введено в научное обращение А. Ф. Самойловым. Упорядоченность и сложность живых систем Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем структурной и функциональной упорядоченности в пространстве и во времени. Живые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией, являясь, таким образом, открытыми системами. При этом, в отличие от неживых систем, в них не происходит выравнивания энергетических разностей и перестройки структур в сторону более вероятных форм, а непрерывно происходит работа «против равновесия». На этом основаны ошибочные утверждения, что живые системы якобы не подчиняются второму закону термодинамики. Однако снижение энтропии в живых системах возможно только за счёт повышения энтропии в окружающей среде, так что в целом процесс повышения энтропии продолжается, что вполне согласуется с требованиями второго закона термодинамики. Возникновение жизни В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие гипотезы: • Гипотеза биохимической эволюции • Гипотеза панспермии • Гипотеза стационарного состояния жизни • Гипотеза самозарождения • Креационизм (божественное начало) Гипотезы самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований их опровергают. Гипотеза панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более далёкое прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле. Таким образом, единственной общепризнанной в науке в настоящее время является гипотеза биохимической эволюции. Таксономия живой природы В связи с тем, что в научной среде не выработались устоявшиеся взгляды на систематический статус одних и тех же групп, ниже приведённая система представляет собой консенсусную структуру[источник не указан 1738 дней]. Бесклеточные Основная статья: Бесклеточные Совокупность живых организмов, не имеющих клеточной структуры. «Бесклеточные» часто употребляют как синоним вирусов. Термин вошёл в употребление после открытия в 2003 году мимивируса, самого сложного из известных на сегодняшний момент вируса, который, возможно, эволюционировал из клеточной формы жизни. Помимо вирусов, к бесклеточным иногда относят вироиды, а также инфекционные агенты, не имеющие собственного генома, зашифрованного в ДНК или РНК (например, прионы). Вирусы Основная статья: Вирусы Неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток. Вирусы поражают все типы организмов, от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты). Классификация по Балтимору Основная статья: Классификация вирусов по Балтимору Лауреат Нобелевской премии биолог Дейвид Балтимор разработал классификацию вирусов по Балтимору[2][3]. Классификация ICTV в настоящее время объединяется с классификацией по Балтимору, составляя современную систему классификации вирусов[4][5]. Эта система включает в себя семь основных групп[3][2]: • (I) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и не имеющие РНК-стадии (например, герпесвирусы, поксвирусы, паповавирусы, мимивирус). • (II) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу ДНК (например, парвовирусы). В этом случае ДНК всегда положительной полярности. • (III) Вирусы, содержащие двуцепочечную РНК (например, ротавирусы). • (IV) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК положительной полярности (например, пикорнавирусы, флавивирусы). • (V) Вирусы, содержащие одноцепочечную молекулу РНК негативной или двойной полярности (например, ортомиксовирусы, филовирусы). • (VI) Вирусы, содержащие одноцепочечную положительную молекулу РНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретровирусы (например, ВИЧ). • (VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своём жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B)[6]. Вироиды Основная статья: Вироиды Патогены растений, которые состоят из короткого фрагмента (несколько сотен нуклеотидов) высококомплементарной, кольцевой, одноцепочечной РНК, не покрытой белковой оболочкой, характерной для вирусов. Самые малые вироиды scRNA (малые цитоплазматические РНК) вируса жёлтой крапчатости риса (англ. RYMV, rice yellow mottle sobemovirus) имеют длину всего 220 нуклеотидов. Для сравнения: геном самого маленького известного вируса, способного вызывать инфекцию, имеет размер около 2000 оснований. Вироиды были открыты и названы в 1971 году Теодором О. Динером.[7] Клеточные Основная статья: Клеточные Прокариоты Основные статьи: Прокариоты, Систематика прокариот Одноклеточные живые организмы, не обладающие (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Для клеток прокариот характерно отсутствие ядерной оболочки, ДНК упакована без участия гистонов. Тип питания осмотрофный. Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды. Прокариоты разделяют на два таксона в ранге домена (надцарства): Бактерии (Bacteria) и Археи (Archaea)[8]. Археи Основная статья: Археи Археи представляют собой одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра, а также каких-либо мембранных органелл. В настоящее время археи подразделяют на 5 типов. Из этих групп наиболее изученными являются кренархеоты (лат. Crenarchaeota) и эвриархеоты (лат. Euryarchaeota). Классифицировать археи по-прежнему сложно, так как подавляющее большинство из них никогда не выращивались в лабораторных условиях и были идентифицированы только по анализу нуклеиновых кислот из проб, полученных из мест их обитания. Большая часть архей — хемоавтотрофы. Они используют значительно больше источников энергии, чем эукариоты: начиная от обыкновенных органических соединений, таких как сахара, и заканчивая аммиаком, ионами металлов и даже водородом. Солеустойчивые археи — галоархеи (лат. Haloarchaea) — используют в качестве источника энергии солнечный свет, другие виды архей фиксируют углерод, однако, в отличие от растений и цианобактерий (синезелёных водорослей), ни один вид архей не делает и то, и другое одновременно. Размножение у архей бесполое: бинарное деление, фрагментация и почкование. В отличие от бактерий и эукариот, ни один известный вид архей не формирует спор. • Crenarchaeota ◦ Termoprotei • Euryarchaeota ◦ Methanobacteria ◦ Methanococci ◦ Halobacteria ◦ Thermoplasmata ◦ Thermococci ◦ Archaeoglobi ◦ Methanopyri • Nanoarchaeota • Korarchaeota Бактерии Основная статья: Бактерии Домен (надцарство) прокариотных (безъядерных) микроорганизмов, чаще всего одноклеточных. К настоящему времени описано около десяти тысяч видов бактерий и предполагается, что их существует свыше миллиона, однако само применение понятия вида к бактериям сопряжено с рядом трудностей. Изучением бактерий занимается раздел микробиологии — бактериология. Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, основанная на строении их клеточной стенки, включённая, в частности, в IX издание Определителя бактерий Берги (1984—1987). Крупнейшими таксономическими группами в ней стали 4 отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы; отдел с единственным классом Mollicutes) и Mendosicutes (археи). • Aquificae • Thermotogae • Thermodesulfobacteria • Deinococcus-Thermus • Chrysiogenetes • Chloroflexi • Thermomicrobia • Nitrospirae • Deferribacteres • Сине-зелёные водоросли (Cyanobacteria) • Chlorobi • Proteobacteria ◦ Alphaproteobacteria ◦ Betaproteobacteria ◦ Deltaproteobacteria ◦ Epsilionproteobacteria • Firmicutes ◦ Clostridia ◦ Mollicutes ◦ Bacilli • Actinobacteria • Planctomycetes • Chlamydiae • Spirochaetes • Fibrobacteres • Acidobacteria • Bacteroidetes ◦ Bacteroides ◦ Flavobacteria ◦ Sphingobacteria • Fusobacteria • Verrucomicrobia • Dictyoglomi • Gemmatimonadetes Эукариоты Основная статья: Эукариоты Домен (надцарство) живых организмов, клетки которых содержат ядра. Все организмы, кроме бактерий и архей, являются ядерными (вирусы и вироиды также не являются эукариотами, но не все биологи считают их живыми организмами). Животные, растения, грибы, а также группы организмов под общим названием протисты — все являются эукариотическими организмами. Они могут быть одноклеточными и многоклеточными, но все имеют общий план строения клеток. Считается, что все эти столь несхожие организмы имеют общее происхождение, поэтому группа ядерных рассматривается как монофилетический таксон наивысшего ранга. Согласно наиболее распространённым гипотезам, эукариоты появились 1,5-2 млрд лет назад. Важную роль в эволюции эукариот сыграл симбиогенез — симбиоз между эукариотической клеткой, видимо, уже имевшей ядро и способной к фагоцитозу, и поглощенными этой клеткой бактериями — предшественниками митохондрий и пластидов.