Особенности биологического уровня организации материи. Проблемы генетики

Окончательного  и строгого определения понятия  “жизнь” нет до сих пор. Так, например, неясно, можно ли вирусы считать  формой жизни, т. к. вне клеток хозяина  они не проявляют никаких признаков  жизни, например, они не могут размножаться.

Живые системы  характеризуются очень высоким  уровнем структурной и функциональной организации на молекулярном уровне, высочайшей информационной плотностью, самоорганизацией, способностью к самовосстановлению и т. п.

Существуют следующие  пять основных групп теорий о происхождении  жизни.

Креационизм, утверждающий, что жизнь была создана сверхъестественным существом (Богом, космическим разумом и т.п.), к этому направлению примыкают теологи и философы-идеалисты. Этот процесс был произведен один раз, больше он не повторится и поэтому не доступен экспериментальной проверке. Поэтому эта теория выходит за рамки научного исследования.

Остальные направления  материалистичны.

Теория самопроизвольного  зарождения - жизнь самозарождается при создании для этого подходящих условий, и это на протяжении всей истории Земли на ней происходило неоднократно, однако попытки создания жизни в искусственных лабораторных условиях (в “пробирке”) химическим путем пока не удались.

Теория стационарного  состояния. Жизнь существовала всегда, и только изменялись ее формы.

Теория панспермии. Жизнь на Землю была занесена из космоса, поскольку в нем зародыши жизни и белковые элементы непрерывно переносятся с планеты на планету (подтверждено исследованиями).

Теория биохимической  революции - жизнь произошла естественным путем в результате саморазвития химических и физических процессов (примыкает ко второй группе теорий).

В настоящее  время общепринято считать следующие  эры развития жизни на Земле:

Архейская эра (начало жизни; считается, что жизнь возникла 3,5 млрд. лет назад);

Протерозойская  эра (одноклеточные, беспозвоночные, водоросли);

Палеозойская  эра (растения (псилофит), кистеперые рыбы, земноводные, насекомые);

Мезозойская эра (пресмыкающиеся, млекопитающие);

Кайнозойская  эра (млекопитающие, птицы, человек).

Начало жизни.

Жизненная среда  не может быть сведена к морфологически единому организму, когда-то населявшему  планету, живая среда не может  быть морфологически однородна, и единая основа живых организмов, протоплазма, не охватывает всех геохимических функций  жизни на нашей планете.

Уже в связи  с этим живая среда не могла  произойти из единого одноклеточного организма принесенного из космической среды, или из таких же разнородных неделимых. Нельзя, однако, отрицать, что проникновение в жизненную среду биосферы космических жизненных элементов весьма вероятно, ибо вещество биосферы, несомненно, постоянно принимает в себя космические тела. Но начала земной жизни оно не объясняет.

Неизбежно допустить, что, может быть, и менее сложная  в основных чертах, чем теперешняя, но все же очень сложная жизненная  среда сразу создалась на нашей  планете как нечто целое в  догеологический ее период. Создался целый монолит жизни, а не отдельный вид живых организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из существования эволюционного процесса.

Последний вывод  затрудняет возможность допущения когда-то происшедшего на нашей планете абиогенеза или, вернее, археогенеза организмов в масштабе, необходимом для создания на ней жизни.

Условия происхождения  жизни.

Проблема первого  появления жизни на нашей планете  сейчас наукой не ставиться. Это область  философской или религиозной  мысли, и ученые, которые ее касаются, обычно выходят за пределы научной работы. Они касаются этих вопросов, но их исследуют не как ученые, а как философы.

Рассматривая  проблему появления жизни на Земле  как проблему появления биосферы, мы не только приближаемся к реальности – мы получаем новую прочную базу для научной работы, опирающуюся  на огромный эмпирический материал геологии и геохимии.

Геология позволяет  сейчас научно ставить вопрос о начале биосферы, а геохимия научно точно  определяет условия, каким должна удовлетворять  жизнь для того, чтобы могла  создаться биосфера.

Необходимо иметь  в виду, что говоря о появлении  жизни на Земле с образованием биосферы, должно считать незыблемым принцип Реди – то великое эмпирическое обобщение, которое было установлено в XVII в. и которое неизменно подтверждается научным опытом и наблюдением. Его выражают: “Все живое происходит от живого”. Принцип Реди безусловно верен, но это не философский принцип, а научное обобщение. В связи с этим его можно выразить так: “Все живое происходит из живого в биосфере, комплекс физико-химических явлений в которой точно ограничен и определен”. Абиогенеза, согласно принципу Реди, нет и не было в биосфере в пределах геологического времени, т. е. в пределах времени, когда жизнь входила в организованность этой геосферы.

Как уже ранее  говорилось в научной литературе высказывались разные представления о начале жизни на Земле. Вот два из них. Оба не связаны с геологическим строением Земли и с ее историей. Согласно одному, жизнь проникла на нашу планету извне, из космического пространства, может быть, проникает в нее постоянно и непрерывно и сейчас. Согласно другому взгляду, жизнь образовалась на Земле из мертвой (косной) материи каким-то неизвестным путем в один из геологических древних периодов ее бытия или, может быть, незаметно для нас непрерывно и постоянно на ней этим путем, путем “самопроизвольного зарождения”, абиогенеза, образуется, но нами этот процесс не замечается. Эти взгляды, высказанные в такой неопределенной форме, противоречат нашему точному знанию.

Исходя из сведения проблемы о начале жизни к проблеме о начале биосферы, попытаемся установить условия появления биосферы и проявления в ней жизни, обязательные для всякого представления о ее начале на нашей планете.

Здесь мы должны считаться с успехами геологии, определяющими  возраст биосферы, и сданными геохимии, исключающими некоторые из ходячих  представлений об эволюции форм жизни  в пределах биосферы.

В настоящее  время считается, что жизнь образовалась на Земле в результате закономерного  процесса эволюции углеродистых соединений. При этом углеродистые соединения в  межзвездной среде возникли еще  до формирования нашей планеты и, следовательно, заносились на планету  всегда. На ранней стадии существования  Земли на ней протекали различные химические процессы, способствовавшие формированию более сложных соединений, - химическая эволюция, положившая начало биологической эволюции.

Начало серии  работ по абиогенному (не биологическому) синтезу было положено американским ученым С. Миллером (1953), пропускавшим электрический  разряд через смесь газов. Советские  ученые А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская (1956) показали возможность образования аминокислот при ультрафиолетовом облучении газовой смеси формальдегида и солей аммония. Испанский ученый Х. Оро (196О) осуществил синтез компонентов нуклеиновых кислот. В 197О г. американский ученый С. Поннамперума синтезировал аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) - основную форму накопления энергии в живых организмах, а также аминокислоты, полипептиды и белково-подобные вещества. Этим было доказано, что абиогенное происхождение жизни во Вселенной могло произойти в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего излучения, электрических разрядов.

Недостатком таких  попыток следует считать создание статических, химически завершенных  биоэлементов (фактически - элементов  трупов). Между тем жизнь - это  непрерывный процесс, что требует  и соответствующей методологии.

 

Структурные уровни живого 

- На основе  разных критериев могут быть  выделены различные уровни, или  подсистемы, живого мира. Наиболее  распространённым является выделение  на основе критерия масштабности:

- Биосферный – включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

- Уровень биогеоценозов выражает следующую степень структуры живого, состоящую из участков Земли с определённым составом живых и неживых организмов (экосистему).

- Популяционно – видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.

- Организменный и органно – тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, поведение, физиологию, а также строение и функции органов и тканей.

- Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

- Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой  материи на уровни является весьма условным.

 

Клетка как “первокирпичик” живого, её строение и функционирование. Механизм управления клеткой 

Живая клетка является фундаментальной частицей структуры  живого вещества. Она является простейшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе  способностью переносить генетическую информацию. Клеточная теория была создана немецкими учеными Теодором Шванном и Матиасом Шлейденом. Ее основное положение состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Исследования в области цитологии показали, что все клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и могут передавать наследственную информацию. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны, они могут существовать как одноклеточные организмы или в составе многоклеточных. Срок жизни клеток может не превышать нескольких дней, а может совпадать со сроком жизни организма. Размеры клеток сильно колеблются: от 0,001 до 10 см. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей – органы, группы органов, связанные с решением каких-либо общих задач называются системами организма. Клетки имеют сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая , будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией и информацией. Метаболизм клеток служит основой для другого их важнейшего свойства – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, то есть постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом, то есть обменом веществ. Обмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и отходов.

Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

В настоящее  время к миру живого относят также  вирусы, которые не имеют клеточной  структуры. Кроме того, существуют также  некоторые организмы с клеточным  строением, клетки которых не имеют  типичной структуры. Это так называемые прокариоты, их клетки не имеют ядер. Прокариоты являются историческими предшественниками организмов с развитыми клетками. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Нити нуклеиновых кислот у этих клеток расположены не в ядре, а в цитоплазме.

Общепризнано, что  структуры, управляющие жизнедеятельностью клетки, расположены в ядре в длинных  цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), исходной единицей которых  является ген (от греч. «рождающий»).

 

Ген и его свойства. Генетика и практика 

Ген – функциональная единица наследственного материала. Ген (от греч.genos — род, происхождение) – участок молекулы геномной нуклеиновой кислоты,характеризуемый специфической для него последовательностью нуклеотидов,представляющий единицу функции, отличной от функций других генов, и способный изменяться путем мутирования.

От гипотетических дискретных наследственных факторов до локализованных в хромосомах и молекулах  ДНК генов. Долгое время ген рассматривали как минимальную часть наследственного материала (генома), обеспечивающую развитие определенного признака у организмов данного вида. Однако каким образом функционирует ген, оставалось неясным. Термин ген предложен В. Иогансеном в 1909 году, однако проникновение в его сущность связано с именем Г. Менделя, который еще в 1860-х гг. ввел термин«наследственный фактор» и на основе точных экспериментов сделал гениальные обобщения относительно свойств и поведения наследственных факторов при передаче информации от родителей потомкам, которые в последующем легли в основу теории гена. Это следующие фундаментальные свойства наследственных факторов – генов: