Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
12. Фундаментальные свойства живой материи
12. 1. Биология как наука и ее место в современном естествознании
Целью биологии является познание жизни - феномена, занимающего особое место в мировоззрении. Биология сегодня представляет собой комплекс научных дисциплин, изучающих живые организмы, их строение, функционирование, распространение, происхождение и развитие, а также природные сообщества организмов, их связи друг с другом, с неживой природой и человеком. Вместе с астрономией, физикой, химией, геологией и другими науками, изучающими Природу, биология относится к числу естественных наук.
Существование и развитие неживой природы определяется сложными физико-химическими процессами, фундаментальными и для живой природы. Однако, с появлением живых организмов (принципиально отличающихся по своим свойствам от тел наживой природы) начинают осуществляться биологические процессы, имеющие специфический характер и подчиняющиеся новым законам - биологическим. Таким образом, физико-химические процессы в живой природе являются фундаментальными, первичными, а биологические, возникающие на их основе, - производными, вторичными. Человек представляет собой особо сложное явление - в нем сочетаются биологическая и социальная сущности. Обладая, в отличие от всех других живых организмов, разумом, языком, способностью к творческой деятельности, глубокой социальностью, человек подчинен действию как физико-химических и биологических, так и социальных законов.
Бурное развитие и грандиозные достижения в 20-м столетии таких биологических наук, как биохимия, биофизика, генетика, молекулярная биология, экология обусловили существенное расширение и углубление наших представлений о единстве материального мира, о наличии сложных взаимоотношений между неживой, живой природой и человечеством. Так, развитие учения о биосфере, экологии в целом показало, что живые организмы («живое вещество» по В.И. Вернадскому) являются мощным геологическим фактором планетарного масштаба; что в настоящее время еще более мощным экологическим фактором выступает человечество, оказывая воздействие и на неживую, и на живую природу Земли.
Определяя место и роль биологии в современном естествознании, необходимо отметить ее значение для развития таких новых направление в науке, как кибернетика, синергетика, общая теория систем. Действительно, ведь живые системы являются ни чем иным, как открытыми диссипативными системами, которые исследуются синергетикой. Кибернетический подход при изучении живых систем широко и плодотворно используется в биологии, а, «по принципу обратной связи», биология способствует развитию этого направления в науке. Наконец, основы общей теории систем были заложены трудами биолога Л. Берталанфи, активно искавшего новые пути познания жизни.
Все выше изложенное объясняет необходимость формирования, в рамках современного естествознания, целостного взгляда на материальный мир, неотъемлемым компонентом которого является человеческое общество, во многом определяющее сегодня дальнейшее существование и развитие этого мира.
12. 2. Субстрат жизни
Различие между живой и неживой природой отчетливо проявляется уже на уровне их химического состава. Если земная кора на 90% состоит из О, Si, Al и Na, то в живых организмах около 95 % составляют C, H, O, N. Кроме того, к этой группе (макроэлементов) относится еще восемь элементов - Na, Cl, S, P, Ca, K, Mg, Fe, содержание которых исчисляется долями процента. В меньших количествах встречаются столь же необходимые для жизни микроэлементы - Cu, Mn, Zn, Mo, Co, F, I, Se, B. Только в отношении 27 элементов известно, что они выполняют определенные функции в организмах. Не случайно основу живых организмов составляют химические элементы (названные органогенами) - водород, углерод, кислород и азот, из которых преимущественно состоят органические вещества (белки, углеводы, жиры и т.д.). Первое место среди органогенов несомненно принадлежит углероду. Этот химический элемент характеризуется способностью образовывать прочные (и, следовательно, энергоемкие) и лабильные связи. Он в большей степени, чем все остальные элементы на Земле, способен образовывать крупные молекулы, может соединяться с другими атомами углерода в цепи и кольца. В результате получается сложные молекулы огромного размера, характеризующиеся «бесконечным» разнообразием. Атомы углерода в одном и том же соединении способны выполнять роль и акцептора, и донора электронов; могут образовывать почти все типы связей, известных химии. Высокое содержание кислорода и водорода в живых организмах бесспорно связано с наличием окислительных и восстановительных свойств, соответственно. Азот входит в состав органических веществ, имеющих первостепенное значение для жизненных процессов - белков и нуклеиновых кислот. Сера, фосфор и другие элементы, подобно углероду, характеризуются лабильностью, а их взаимодействие создает исключительное богатство химических связей.
Признаком живого на молекулярном уровне служат чрезвычайно многообразные органические соединения. Они являются как структурными, так и функциональными компонентами организмов, играя важную роль в процессах обмена веществ и энергии. Основой живого или, другими словами, субстратом жизни являются белки и нуклеиновые кислоты - биополимеры, находящиеся в тесном взаимодействии и взаимозависимости. Белки не только строительный материал живого, они играют важнейшую роль во всех жизненных функциях (в том числе и в процессе синтеза нуклеиновых кислот), выступая в качестве биокатализаторов (белки - ферменты). Нуклеиновые кислоты, в свою очередь, предопределяют структуру всех белков, синтезируемых в организме. Причем всем живым организмам на Земле присущ универсальный генетический код - каждой из двадцати аминокислот, образующих все белки организма, соответствует определенная последовательность трех нуклеотидов в полинуклеотидной цепи.
Таким образом, характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Живое вещество, построенное из тех же химических элементов, что и неживое, характеризуется чрезвычайной сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени, обеспечивающей строгую последовательность процессов, протекающих в живых системах.
12. 3. Современные представления о сущности жизни
Классическим определением жизни стала формулировка Ф. Энгельса: «Жизнь - это 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», И далее: «... обмен веществ состоит в поглощении веществ, химический состав которых изменяется, которые ассимилируются организмом и остатки которых выделяются вместе с порожденными в процессе жизни продуктами разложения самого организма». Весьма существенным примечанием самого Ф. Энгельса дополняется это тезис: «И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования». Определение Ф. Энгельса намного опередило свое время и можно только поражаться тому, как при состоянии науки того времени ему удалось увидеть главное и указать на самое принципиальное в характеристике сущности живого.
Выдающийся биохимик академик В.А.Энгельгардт отмечал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть ни что иное, как противодействие энтропии». Более образно по этому поводу высказывался выдающийся физик XX века Э.Шредингер: «Живой организм может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, только путем постоянного извлечения отрицательной энтропии из окружающей его среды. Отрицательная энтропия вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той положительной энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив».
Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, известный биофизик М.В.Волькенштейн определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».
Несмотря на обилие высказываний по поводу феномена жизни, дать краткое и однозначное определение жизни представляется сегодня весьма сложной задачей. «Жизнь» не существует сама по себе - это лишь специфическое качество определенных систем, называемых «живыми» или «биологическими». Жизнь, в ее конкретных проявлениях на Земле, представлена многообразием организмов. На основании достижений современной биологии можно выделить совокупность свойств, которые являются общими для всех живых существ и отличают их от тел неживой природы. Таким образом, к понятию «жизнь» мы приходим путем постижения специфических свойств живых организмов.
12. 4. Уровни организации живого
К 60-м годам текущего столетия сложилось представление об уровнях организации живого как конкретном выражении иерархической упорядоченности. Жизнь на Земле представлена организмами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам (популяция, вид), а также сообществам разной сложности (биогеоценозы, биосфера). В свою очередь, организмы характеризуются молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей и т.д.), с другой - сам является единицей в составе надорганизменных биологических систем (популяций, видов, биогеоценозов, биосферы в целом).
Существование жизни на всех уровнях определяется структурой низшего уровня. Например, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями; организменного - клеточным, тканевым, органным; популяционно-видового - организменным и т.д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях.
По подходу к изучению биологических систем выделяют следующие уровни организации живой материи на базе разных способов структурно-функционального объединения составляющих элементов:
Таблица 12.2
|
Уровень |
Определение и краткая характеристика |
|
1 |
2 |
|
Молекулярный |
20 аминокислот и 4 азотистых основания, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот |
|
Клеточный |
Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех организмов. Только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. У одноклеточных организмов этот уровень совпадает с организменным |
|
Тканево-органный |
Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. Всего лишь 5 основных тканей входят в состав органов всех многоклеточных животных и 6 основных тканей образуют органы растений |
|
Организменный или онтогенети- ческий |
Характеризуется трудновообразимым многообразием форм. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов высших растений. Организм как целое (особь) - элементарная единица жизни. Вне особей жизни не существует. На этом уровне протекают процессы онтогенеза |
|
Популяционно- видовой |
Совокупность организмов (особей) одного вида, населяющих определенную территорию, свободно между собой скрещивающихся, составляет популяцию. Популяция - это элементарная единица эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования |
|
Биоценотиче- ский |
Биоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций разных видов, связанных между собой и с окружающей неживой природой обменом веществ, энергии и информации. Являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов |
|
Биосферный |
Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, где живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему |
12. 5. Фундаментальные свойства живой материи
12. 5. 1. Обмен веществ (метаболизм)
Обмен веществ (метаболизм) - совокупность протекающих в живых системах химических превращений, обеспечивающих их жизнедеятельность, рост, воспроизведение, развитие, самосохранение, постоянный контакт с окружающей средой, способность адаптироваться к ней и ее изменениям. В процессе обмена веществ происходит расщепление и синтез молекул, входящих в состав клеток; образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества. В основе метаболизма лежат взаимосвязанные процессы ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Ассимиляция - процессы синтеза сложных молекул из простых с расходованием энергии, запасенной в ходе диссимиляции (а также накопление энергии при отложении в запас синтезированных веществ). Диссимиляция - процессы расщепления (анаэробного или аэробного) сложных органических соединений, идущее с высвобождением энергии, необходимой для осуществления жизнедеятельности организма.
В отличие от тел неживой природы обмен с окружающей средой для живых организмов является условием их существования. При этом происходит восстановление разрушенных («отработавших») компонентов, замена их новыми, идентичными им, т.е. имеет место самообновление. Вот некоторые примеры: все белки печени и крови человека обновляются каждые 20 дней; все тканевые белки - в течение каждых 160 дней; все клетки кишечного эпителия обновляются в течение недели.
Процессы обмена веществ, протекающие внутри организма, объединены в метаболические каскады и циклы химическими реакциями, которые строго упорядочены во времени и пространстве. Показательны расчеты для клеток человека - их метаболический аппарат включает более 10000 реакций. Согласованное протекание большого количества реакций в малом объеме достигается путем упорядоченного распределения отдельных звеньев обмена веществ в клетке (принцип компартментализации). Процессы обмена веществ регулируются с помощью биокатализаторов - особых белков-ферментов. Каждый фермент обладает субстратной специфичностью катализировать превращение лишь одного субстрата. В основе этой специфичности лежит своеобразное “узнавание” субстрата ферментом. Ферментативный катализ отличается от небиологического чрезвычайно высокой эффективностью, в результате чего скорость соответствующей реакции повышается в 1010 - 1013 раз. Каждая молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в минуту, не разрушаясь в процессе участия в реакциях. Так, например, одна молекула фермента каталазы осуществляет расщепление 5 миллионов молекул субстрата (Н2О2) в течении одной минуты. Для сравнения - Н2О2 может разлагаться в присутствии атомов Fe, но медленно - понадобилось бы 300 лет, чтобы один атом железа расщепил такое количество молекул Н2О2, какое одна молекула каталазы расщепляет за одну секунду. Еще одно характерное отличие ферментов от небиологических катализаторов состоит в том, что ферменты способны ускорять реакции при обычных условиях (атмосферном давлении, температуре тела организма и т.п.).
Все живые организмы могут быть разделены на две группы - автотрофы и гетеротрофы, отличающиеся источниками энергии и необходимых веществ для своей жизнедеятельности.
Автотрофы - организмы, синтезирующие из неорганических веществ органические соединения с использованием энергии солнечного света (фотосинтетики - зеленые растения, водоросли, некоторые бактерии) или энергии, получаемой при окислении неорганического субстрата (хемосинтетики - серо-, железобактерии и некоторые другие), Автотрофные организмы способны синтезировать все компоненты клетки. Роль фотосинтезирующих автотрофов в природы является определяющей - являясь первичным продуцентом органического вещества в биосфере, они обеспечивают существование всех других организмов и ход биогеохимических циклов в круговороте веществ на Земле (см. гл. 14).
Гетеротрофы (все животные, грибы, большинство бактерий, некоторые бесхлорофилльные растения) - организмы, нуждающиеся для своего существования в готовых органических веществах, которые, поступая в качестве пищи, служат как источником энергии, так и необходимым «строительным материалом». Характерной чертой гетеротрофов является наличие у них амфиболизма, т.е. процесса образования мелких органических молекул (мономеров), образующихся при переваривании пищи (процесс деградации сложных субстратов). Такие молекулы - мономеры используются для сборки собственных сложных органических соединений. Например, при расщеплении белков пищи в кишечнике на аминокислоты, последние поступают затем в клетки тела и там из них «собираются» (синтезируются) белки, присущие данному организму.
12. 5. 2. Самовоспроизведение (репродукция)
Жизнь существует в виде дискретных биологических систем (клеток, организмов и т.д.) и существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени. Поэтому поддержание жизни на любом уровне организации связано с репродукцией.
Способность к размножению (воспроизведению себе подобных, самовоспроизведению) относится к одному из фундаментальных свойств живых организмов. Размножение необходимо для того, чтобы обеспечить непрерывность существования видов, т.к. продолжительность жизни отдельного организма ограничена. Размножение с избытком компенсирует потери, обусловленные естественным отмиранием особей, и таким образом поддерживает сохранение вида в ряду поколений особей. В процессе эволюции живых организмов происходила эволюция способов размножения. Поэтому у ныне существующих многочисленных и разнообразных видов живых организмов мы обнаруживаем разные формы размножения. Многие виды организмов сочетают несколько способов размножения. Необходимо выделить два, принципиально отличающихся типа размножения организмов - бесполое (первичный и более древний тип размножения) и половое.
В процессе бесполого размножения новая особь образуется из одной или группы клеток (у многоклеточных) материнского организма. При всех формах бесполого размножения потомки обладают генотипом (совокупность генов) идентичным материнскому. Следовательно, все потомство одного материнского организма оказывается генетически однородным и дочерние особи обладают одинаковым комплексом признаков.
При половом размножении новая особь развивается из зиготы, образующейся путем слияния двух специализированных половых клеток (процесс оплодотворения), продуцируемых двумя родительскими организмами. Ядро в зиготе содержит гибридный набор хромосом, образующийся в результате объединения наборов хромосом слившихся ядер гамет. В ядре зиготы, таким образом, создается новая комбинация наследственных задатков (генов), привнесенных в равной мере обоими родителями. А развивающийся из зиготы дочерний организм будет обладать новым сочетанием признаков. Иными словами, при половом размножении происходит осуществление комбинативной формы наследственной изменчивости организмов, обеспечивающий приспособление видов к меняющимся условиям среды и представляющей собой существенный фактор эволюции. В этом заключается значительное преимущество полового размножения по сравнению с бесполым.
Способность живых организмов к самовоспроизведению базируется на уникальном свойстве нуклеиновых кислот к репродукции и феномене матричного синтеза, лежащего в основе образования молекул нуклеиновых кислот и белков. Самовоспроизведение на молекулярном уровне обусловливает как осуществление обмена веществ в клетках, так и самовоспроизведение самих клеток. Клеточное деление (самовоспроизведение клеток) лежит в основе индивидуального развития многоклеточных организмов и воспроизведения всех организмов. Размножение организмов обеспечивает самовоспроизведение всех видов, населяющих Землю, что в свою очередь обусловливает существование биогеоценозов и биосферы.
12. 5. 3. Наследственность и изменчивость
Наследственность обеспечивает материальную преемственность (поток генетической информации) между поколениями организмов. Она тесно связана с репродукцией на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Генетическая информация, определяющая разнообразие наследственных признаков, зашифрована в молекулярной структуре ДНК (у некоторых вирусов - в РНК). Полинуклеотидные цепи ДНК подразделяются на особые функциональные единицы (гены), являющиеся единицами генетической (наследственной) информации. В генах закодирована информация о структуре синтезируемых белков, ферментных и структурных. Генетический код - это система «записи» информации о последовательности расположения аминокислот в синтезируемых белках с помощью последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.
Совокупность всех генов организма называется генотипом, а совокупность признаков - фенотипом. Фенотип зависит как от генотипа, так и факторов внутренней и внешней среды, которые влияют на активность генов и обусловливают регулярные процессы. Хранение и передача наследственной информации осуществляется у всех организмов с помощью нуклеиновых кислот, генетический код един для всех живых существ на Земле, т.е. он универсален. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, обеспечивающие приспособленность организмов к среде их обитания.
Если бы при размножении организмов проявлялась только преемственность существующих признаков и свойств, то на фоне меняющихся условий внешней среды существование организмов было бы невозможно, так как необходимым условием жизни организмов является их приспособленность к условиям среды обитания. При «жесткой» наследственности не мог бы осуществляться и эволюционный процесс. Но живым организмам свойственна изменчивость, под которой понимают свойство живого приобретать новые признаки и утрачивать прежние. Проявляется изменчивость в разнообразии организмов, принадлежащих к одному и тому же виду. Изменчивость может реализовываться у отдельных организмов в ходе их индивидуального развития или в пределах группы организмов в ряду поколений при размножении.
Выделяют две основные формы изменчивости, различающиеся по механизмам возникновения, характеру изменения признаков и, наконец, их значимости для существования живых организмов - генотипическую (наследственную) и модификационную (ненаследственную).
Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа и приводит к изменению фенотипа. В основе генотипической изменчивости могут лежать мутации (мутационная изменчивость) или новые комбинации генов, возникающие в процессе оплодотворения при половом размножении. При мутационной форме изменения связаны, в первую очередь, с ошибками при репликации нуклеиновых кислот. Таким образом происходит возникновение новых генов, несущих новую генетическую информацию; происходит появление новых признаков. И если вновь возникающие признаки полезны организму в конкретных условиях, то они «подхватываются» и «закрепляются» естественным отбором. Таким образом, на наследственной (генотипической) изменчивости базируется приспособляемость организмов к условиям внешней среды, разнообразие организмов, создаются предпосылки для позитивной эволюции.
При ненаследственной (модификационной) изменчивости происходят изменения фенотипа под действием факторов внешней среды и не связанные с изменением генотипа. Модификации (изменения признаков при модификационной изменчивости) происходят в пределах нормы реакции, находящейся под контролем генотипа. Модификации не передаются следующим поколениям, т.е. приобретенные в течение индивидуальной жизни признаки не наследуются. Значение модификационной изменчивости заключается в том, что она обеспечивает приспособляемость организма к факторам внешней среды в течение его жизни.
12. 5. 4. Индивидуальное развитие организмов
Всем живым организмам свойственен процесс индивидуального развития - онтогенез. Традиционно, под онтогенезом понимают процесс индивидуального развития многоклеточного организма (образующегося в результате полового размножения) от момента формирования зиготы до естественной смерти особи. За счет деления зиготы и последующих поколений клеток формируется многоклеточный организм, состоящий из огромного числа разных типов клеток, различных тканей и органов. Развитие организма базируется на «генетической программе» (заложенной в генах хромосом зиготы) и осуществляется в конкретных условиях среды, существенно влияющей на процесс реализации генетической информации в ходе индивидуального существования особи. На ранних этапах индивидуального развития происходит интенсивный рост (увеличение массы и размеров), обусловленный репродукцией молекул, клеток и других структур, и дифференцировка, т.е. появление различий в структуре и усложнение функций.
Очевидно, что понятие «онтогенез» применимо и к одноклеточным организмам. Правомерно, также, говорить об индивидуальном развитии одно- и многоклеточных организмов, возникающих в результате бесполого размножения. Действительно, при делении, например, инфузории образуются дочерние особи-клетки, которые существенно отличаются от материнской клетки. Они мельче, лишены ряда органелл, формирующихся лишь с течение времени, в процессе индивидуального существования дочерних особей. Достигнув «зрелого» состояния дочерние организмы (в свою очередь претерпев деление) дадут начало новому поколению инфузорий. И хотя, при такой смене поколений, не происходит естественной смерти особей, можно говорить об их онтогенезе (от деления до деления этих одноклеточных организмов). Другой пример - размножение бесполым путем многоклеточных. Например, почкование у гидры. Здесь процесс онтогенеза разворачивается от момента возникновения почки на материнском организме (и отделении дочерней особи на определенном этапе ее развития) до естественной смерти дочерней особи.
На всех этапах онтогенеза существенное регулирующее влияние оказывают на развитие организма различные факторы внешней среды (температура, гравитация, давление, состав пищи по содержанию химических элементов и витаминов, разнообразные физические и химические агенты). Изучение роли этих факторов в процессе индивидуального развития животных и человека имеет огромное практическое значение, возрастающее по мере усиления антропогенного воздействия на природу. В различных областях биологии, медицины, ветеринарии и других наук широко проводятся исследования по изучению процессов нормального и патологического развития организмов, выяснению закономерностей онтогенеза. В последние десятилетия сформировался самостоятельный раздел медико-биологической науки - тератология. Это направление посвящено изучению уродств и пороков развития организмов, выяснению причин их появления и роли различных факторов среды. Многие из выявленных тератогенов (факторов, вызывающих появление уродств и пороков развития) оказались различными химическими веществами, с которыми человек контактирует часто, в повседневной жизни - никотин, алкоголь, различные синтетические вещества, некоторые лекарственные препараты. Показано тератогенное действие и многих физических факторов- различного рода излучения, ультразвук, вибрации, электромагнитное поле и т.п.
12. 5. 5. Эволюция организмов
Эволюция организмов представляет собой необратимый процесс исторического развития живого. В ходе эволюции (филогенетического развития) происходит последовательная смена видов в результате процесса возникновения новых видов организмов. По своему характеру эволюция является прогрессивной, т.к. организация живых организмов в ходе эволюции прошла ряд ступеней - доклеточных форм, одноклеточных организмов, все усложняющихся многоклеточных вплоть до человека (подробнее об этом см. в следующем разделе). С появлением человека возникла новая форма существования материи - социальная, высшая по сравнению с биологической и не сводимая к ней. В силу этого человек в отличие от всех других видов организмов представляет собой биосоциальное существо (подробнее см. в главе 14).
12. 5. 6. Раздражимость
Неотъемлемым свойством организмов и всех живых систем является раздражимость - способность воспринимать внешние или внутренние раздражители (воздействия) и адекватно на них реагировать. У организмов раздражимость сопровождается комплексом изменений, выражающихся в сдвигах обмена веществ, электрического потенциала на мембранах клеток, физико-химических параметров в цитоплазме клеток, в двигательных реакциях, а высокоорганизованным животным присущи изменения в их поведении.
У животных, не имеющих нервной системы, одноклеточных организмов и некоторых клеток многоклеточных организмов (например, фагоцитов крови) реакции на раздражение выражаются, в частности, в форме двигательных реакций - таксисов, пространственных перемещений. В зависимости от характера раздражения выделяют следующие таксисы: фототаксис, хемотаксис, термотаксис, геотаксис и т.д. У фотосинтезирующих организмов обычно ярко выражен положительный фототаксис (перемещение в зону, наиболее освещенную), гетеротрофным организмам чаще всего свойственен отрицательный фототаксис (избегание освещенных зон). Благодаря хемотаксису, фагоциты крови скапливаются вокруг, например, проникших в организм бактерий и осуществляют свою функцию - фагоцитоз («пожирание») бактерий.
Растения сравнительно с животными характеризуются малой подвижностью. Большинство движений у растений возникает как ответные реакции на раздражение светом, температурой, гравитацией, химическими факторами. Активные движения у растений наблюдаются двух типов: ростовые и сократительные. Первые движения более медленные, а вторые более быстрые. Ростовые движения связаны с влиянием на растение фактора, действующего в одном направлении. Это вызывает односторонний рост, а как следствие этого возникает изгиб. Такие изгибы органов растения получили название тропизмов. Любой тропизм может быть положительным или отрицательным. Положительным он называется тогда, когда растение изгибается по направлению к раздражителю, а отрицательным, если растение изгибается в противоположную от раздражителя сторону. Так, если поставить проростки растения на окно, то растущие растения изгибаются в одну сторону, по направлению к свету. Это явление получило название положительного фототропизма. Растение изгибается потому, что оно растет в этих условиях неравномерно. Сторона растения, направленная к свету, растет более медленно, чем противоположная. К сократительным движениям у растений можно отнести быстрые движения листьев у мимозы, кислицы, насекомоядных растений (например, росянки) при прикосновении к ним - настии. У мимозы черешки перистых листьев и отдельные листочки имеют особые участки с особыми клетками. При раздражении (прикосновении, толчке, тряске) клетки быстро теряют воду, внутриклеточное давление резко падает, и листочки складываются. В настоящее время высказываются предположения, что механизм быстрых движений связан также с наличием особых сократительных белков.
У многоклеточных животных нервная и мышечная системы обеспечивают ответные двигательные реакции; развиваются формы опосредованной реактивной связи с раздражителем через высшую нервную деятельность и сознание. Благодаря раздражимости достигается уравновешивание организмов с внешней средой: организмы адекватно реагируют на изменения условий окружающей их среды изменениями в функционировании соответствующих элементов биологической системы и самой системы в целом.
Явление раздражимости лежит в основе саморегуляции биологических систем, а в результате существования саморегуляции в системах поддерживается гомеостаз. Гомеостаз - это способность системы противостоять изменениям и сохранить относительное постоянство ее состава и свойств (поддержание определенной температуры тела, постоянство полного состава, осмотического давления и т.д.).
Явление раздражимости лежит в основе адаптаций. Под адаптацией (приспособлением) понимается приспособление организма к непрерывно меняющимся условиям среды. Выделяя раздражимость как специфическое свойство живых организмов, руководствуются следующими соображениями. Неживые тела (системы) реагируют, как правило, на внешние воздействия непосредственно, т.е. независимо от своей предшествующей истории. Живые же организмы реагируют на внешние воздействия уже не только непосредственно, но и основываясь на своей врожденной (генетической) или прижизненной (индивидуальной) «памяти» о всем прошлом опыте реагирования на внешние воздействия. Разумные существа обладают способностью опережающего действия в меняющихся условиях среды, реагируя на внешние воздействия уже не только непосредственно или с учетом имеющейся и накопленной информации, но активно перерабатывая ее в существенно новую информацию.
Заключая раздел, посвященный анализу свойств живых организмов, можно выделить фундаментальные и специфические свойства, совокупность которых характеризует живое: самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция, базирующиеся на потоках веществ, энергии и информации. Отличие живых систем от неживых состоит не в присутствии каких-то неуловимых метафизических свойств - все законы физики и химии верны и для живого, - а в высокой структурной и функциональной сложности живых систем. Эта особенность включает все рассмотренные выше признаки и свойства живых организмов и делает состояние жизни качественно новым свойством материи.
Вопросы для самопроверки:
1.Какие фундаментальные свойства отличают живую материю от неживой?
2. Что является субстратом жизни?
3. Как можно определить феномен жизни?
4. Что такое метаболизм и какую роль он играет в динамике жизни?
5. Какие иерархические уровни организации специфичны для живой материи?