Общая биология – наука об общих закономерностях живого

  Общая биология – наука  об общих закономерностях живого

  Общая биология - наука об общих закономерностях  живого. Жизнь как особая форма  движения материи - свойства и признаки живого. Уровни организации живых  систем: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Этапы энергетического  обмена. Использование  энергии в клетке

Этапы энергетического обмена

  Энергетический  обмен – это совокупность реакций  ферментативного расщепления сложных  органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. Часть энергии  рассеивается в виде тепла, а часть  аккумулируется в макроэргических  связях АТФ и используется затем  для обеспечения разнообразных  процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления  веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и др.

  Выделяют  три этапа энергетического обмена:

  * подготовительный,

   * бескислородный,

   * кислородный.

  Подготовительный  этап протекает в пищеварительном  тракте животных и человека или в  цитоплазме клеток всех живых существ. На этом этапе крупные органические молекулы под действием ферментов  расщепляются на мономеры: белки до аминокислот, жиры до глицерина и  жирных кислот, крахмал и гликоген до моносахаридов, нуклеиновые кислоты  до нуклеотидов. Распад веществ на этом этапе сопровождается выделением небольшого количества энергии, рассеивающейся в  виде тепла.

  Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода. Например, при гликолизе (расщепление глюкозы, происходящее в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которая в некоторых клетках, например мышечных, восстанавливается до молочной кислоты. При этом выделяется около 200 кДж энергии. Часть ее (около 80 кДж) идет на синтез двух молекул АТФ, а остальная (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:

  С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 –> 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.

  В клетках  растительных организмов и некоторых  дрожжевых грибков распад глюкозы  идет путем спиртового брожения. При  этом пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта.

  В ходе бескислородного этапа энергетического обмена распад одной молекулы глюкозы сопровождается синтезом двух молекул АТФ. У анаэробных организмов (некоторые бактерии, внутрикишечные паразиты) этот этап является конечным. Гликолиз протекает в некоторых тканях многоклеточных организмов, способных функционировать в анаэробных условиях, например в поперечнополосатых мышцах во время больших нагрузок. При этом в мышцах накапливается молочная кислота, что является одной из причин их утомления. Во время отдыха мышц она включается в следующий (кислородный) этап энергетического обмена. Реакции гликолиза относительно неэффективны, так как конечные продукты содержат в себе еще большое количество энергии.

  Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена имеет место только у аэробных организмов. Он заключается в дальнейшем окислении молочной (или пировиноградной) кислоты до конечных продуктов – СО2 и Н2О. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. На первых стадиях кислородного этапа от молочной кислоты постепенно отщепляются протоны и электроны, накапливающиеся по разные стороны внутренней мембраны митохондрии и создающие разность потенциалов. Когда она достигает критического значения, протоны, проходя по специальным каналам мембраны, в которых находятся ферменты, синтезирующие АТФ, отдают свою энергию для присоединения остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Этот процесс сопровождается выделением энергии, достаточной для синтеза 36 молекул АТФ (1440 кДж). Уравнение кислородного этапа выглядит так:

  2С3Н6О3 + 6O2 + 36Н3РO4 + 36АДФ –> 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О.

  Суммарное уравнение анаэробного и аэробного  этапов энергетического обмена выглядит следующим образом:

  C6H12O6 + 38АДФ  + 38Н3РО4 + 6О2 –> 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О.

  Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении  одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж (40 кДж * 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Следовательно, 55 % энергии, высвобождаемой при расщеплении  глюкозы, аккумулируется клеткой в  молекулах АТФ, а 45 % рассеивается в  виде тепла. Основную роль в обеспечении  клеток энергией играет кислородный  этап.

  Аналогичным образом в энергетический обмен  могут вступать белки и жиры. При  расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную  систему.

  Пластическим  обменом называется совокупность реакций  биологического синтеза, при котором  из поступивших в клетку веществ  образуются вещества, специфические  для данной клетки. К пластическому  обмену относится биосинтез белков, фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, жиров и углеводов.

Использование энергии в клетках

  Благодаря фотосинтезу и дыханию световая энергия Солнца конвертиру-ется в форму, которая может использоваться клетками для обеспечения всех выполняемых ими функций (рис. 75).

  Основными видами биологической работы в клетках  являются транспорт веществ через  мембраны, биологический синтез и  механическая работа. Обеспечение этих видов биологической работы в  клетках основано на цикле АТФ-АДФ. Для обеспечения энерготребующих функций клеток используются высокоэнергетические связи АТФ. В результате реакции в конечном итоге освобождается неорганический фосфат. АДФ рефосфорилируется в АТФ в процессе реакций катаболизма.

  Большое место в катаболизме занимает биосинтез различных соединений, который в клетках происходит непрерывно. Больше того, клетки обладают гигантской биосинтетической способностью в отношении всех веществ. Например, одиночная клетка Е. coli способна за время от одного деления до другого (в процессе одного клеточного цикла) синтезировать огромное количество молекул различных соединений

  Центральное место в биосинтезе принадлежит  синтезу белков (см. гл. XII). Синтез белков, нуклеиновых кислот и других химических соединений необхо-дим для поддержания живых клеток. Во все биосинтезы вовлечен АТФ.

  Больше  того, между биосинтезом и деградацией  химических соединений на-блюдается взаимодействие, причем это взаимодействие обеспечивается АТФ (рис. 76).

  Одним из обычных примеров механической работы является мышечное сокра-щение, в котором существенную роль играет АТФ.

  Этапы эмбрионального периода. Гисто - и органогенез, постэмбриональный  период, его этапы

  Эмбриональный период

   эмбриональном  периоде выделяют три основных этапа: дробление, гаструляцию и первичный органогенез. Эмбриональный, или зародышевый, период онтогенеза начинается с момента оплодотворения и продолжается до выхода зародыша из яйцевых оболочек. У большинства позвоночных он включает стадии (фазы) дробления, гаструляции, гисто- и органогенеза.

  Гисто- и органогенез

   После  образования мезодермы начинается  процесс гисто- и органогенеза. Сначала формируются осевые органы - нервная трубка, хорда, затем все остальные органы (рис. 70).

   У ланцетника  из эктодермы на спинной стороне  зародыша образуется нервная  трубка. Остальная эктодерма формирует  кожный эпителий и его производные.  Из энто- и мезодермы под нервной трубкой формируется хорда. Под хордой находится кишечная трубка, по бокам от хорды - мезодерма сомитов. Наружная часть сомита, прилегающая к эктодерме, называется дермотомом. Из нее формируется соединительная ткань кожи. Внутренняя часть - склеротом - дает начало скелету. Между дермотомом и склеротомом находится миотом, дающий начало поперечно-полосатой мускулатуре. Под сомитами находятся ножки (нефрогонотом), из которых формируется мочеполовая система.

   Целомические мешки формируются симметрично по бокам. Стенки целомических мешков, обращенные в сторону кишечника, на-

   

  Рис.. Образование мезодермы (по Шимкевичу, 1925, модифицировано).

  а - у первичноротых; б - у вторичноротых;

  1 - эктодерма; 2 - мезенхима; 3 - энтодерма; 4 - телобласт (а) и целомическая мезодерма (б).

  Постэмбриональное развитие животных.

  Постэмбриональное развитие начинается с момента рождения или выхода организма из яйцевых  оболочек и продолжается вплоть до смерти живого организма. Постэмбриональное  развитие сопровождается ростом. При  этом он может быть ограничен определенным сроком или длиться в течение  всей жизни.

  Различают 2 основных типа постэмбрионального развития:

  прямое  развитие

  развитие  с превращением или метаморфозом (непрямое развитие)

  В случае прямого развития молодая особь  мало чем отличается от взрослого  организма и ведет тот же образ  жизни, что и взрослые. Этот тип  развития свойственен, например, наземным позвоночным.

  При развитии с метаморфозом из яйца появляется личинка, порой внешне совершенно не похожая и даже отличающаяся по ряду анатомических признаков от взрослой особи. Часто личинка ведет иной образ жизни по сравнению со взрослыми организмами (например, бабочки и их личинки гусеницы). Она питается, растет и на определенном этапе превращается во взрослую особь, причем этот процесс сопровождается весьма глубокими морфологическими и физиологическими преобразованиями. В большинстве случаев организмы не способны размножаться на личиночной стадии, однако существует небольшое кол-во исключений. Например, аксолотли-личинки хвостатых земноводных амбистом-способны размножаться, при этом дальнейший метаморфоз может и не осуществляться вовсе. Способность организмов размножаться на личиночной стадии называется неотенией. 

  Систематика организмов. Неклеточные  организмы

  Биологическая систематика — научная дисциплина, в задачи которой входит разработка принципов классификации живых организмов и практическое приложение этих принципов к построению системы. Под классификацией здесь понимается описание и размещение в системе всех существующих и вымерших организмов

  Завершающим этапом работы систематика, отражающим его представления о некой  группе живых организмов, является создание Естественной Системы. Предполагается, что эта система, с одной стороны  лежит в основе природных явлений, с другой стороны является лишь этапом на пути научного исследования. В соответствии с принципом познавательной неисчерпаемости  природы естественная система недостижима[2].

  «Углублённое  изучение уже известных групп, всё более разъясняя их взаимные соотношения, будет требовать других сопоставлений или, точнее сказать, перестановки членов. Нам кажется, что естественная система всегда будет подвергаться постоянным изменениям, так как каждая попытка может быть выполнена только в связи с состоянием научных знаний своего времени.»

  — К. М. Бэр[3]

  Основные  цели систематики:

  наименование (в том числе и описание) таксонов,

  диагностика (определение, то есть нахождение места  в системе),

  экстраполяция, то есть предсказание признаков объекта, основывающееся на том, что он относится  к тому или иному таксону. Например, если на основании строения зубов  мы отнесли животное к отряду грызунов, то можем предполагать, что у него имеется длинная слепая кишка  и стопоходящие конечности, даже если нам неизвестны эти части тела.

  Систематика всегда предполагает, что:

  окружающее  нас разнообразие живых организмов имеет определённую внутреннюю структуру,

  эта структура  организована иерархически, то есть разные таксоны последовательно подчинены друг другу,

  эта структура  познаваема до конца, а значит, возможно построение полной и всеобъемлющей системы органического мира («естественной системы»).

  Эти предположения, лежащие в основе любой таксономической  работы, можно назвать аксиомами систематики.

  Современные классификации живых организмов построены по иерархическому принципу. Различные уровни иерархии (ранги) имеют собственные названия (от высших к низшим): царство, тип или отдел, класс, отряд или порядок, семейство, род и, собственно, вид. Виды состоят уже из отдельных особей.

  Принято, что любой конкретный организм должен последовательно принадлежать ко всем семи категориям. В сложных системах часто выделяют дополнительные категории, например, используя для этого  приставки над- и под- (надкласс, подтип и т. п.). Каждый таксон должен иметь  определённый ранг, то есть относиться к какой-либо таксономической категории.

  Этот принцип  построения системы получил название Линнеевской иерархии, по имени шведского натуралиста Карла Линнея, труды которого были положены в основу традиции современной научной систематики.

  Сравнительно  новым является понятие надцарства, или биологического домена. Оно было предложено в 1990 Карлом Вёзе и ввело разделение всей биомассы Земли на три домена: 1) эукариоты (домен, объединивший все организмы, клетки которых содержат ядро); 2) бактерии; 3) археи.