Основные свойства живых организмов. Вопросы о происхождении жизни, закономерностях исторического развития в различные геологические эпохи всегда интересовали человечество. Понятие жизнь охватывает совокупность всех живых организмов на Земле и условия их существования.
Сущность жизни заключается в том, что живые организмы оставляют после себя потомство. Наследственная информация передается из поколения в поколение, организмы саморегулируются и восстанавливаются при воспроизводстве потомства. Жизнь — это особая качественная, наивысшая форма материи, способная, оставляя потомство, к самовоспроизведению.
Понятию жизнь в разных исторических периодах давались различные определения. Первое научно правильное определение дал Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". При прекращении процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются, и жизнь исчезает. Опираясь на современные достижения биологической науки, 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". Это определение не отрицает наличие жизни и на других планетах космического пространства. Жизнь называется открытой системой, на что указывает непрерывный процесс обмена веществ и энергии с окружающей средой.
На основании последних научных достижений современной биологической науки дано следующее определение жизни: "Жизнь — это открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы совокупностей живых организмов, построенные из сложных биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот".
Основой всего живого считаются нуклеиновые кислоты и белки, так как они функционируют в клетке, образовывают сложные соединения, которые входят в структуру всех живых организмов.
,

Основные свойства живых организмов

Живые организмы отличаются от неживой природы присущими им свойствами. К характерным свойствам живых организмов относятся: единство химического состава, обмен веществ и энергии, сходство уровней организации. Для живых организмов характерны также размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность и др.

Уровни организации жизни

Все живые организмы в природе состоят из одинаковых уровней организации, это общая для всех живых организмов характерная биологическая закономерность. Выделяют следующие уровни организации живых организмов — молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.
1. Молекулярно-генетический уровень. Это наиболее элементарный характерный для жизни уровень. Как бы сложно или просто ни было строение любого живого организма, они все состоят из одинаковых молекулярных соединений. Примером этого являются нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и другие сложные молекулярные комплексы органических и неорганических веществ. Их называют иногда биологическими макромолекулярными веществами. На молекулярном уровне происходят различные процессы жизнедеятельности живых организмов: обмен веществ, превращение энергии. С помощью молекулярного уровня осуществляется передача наследственной информации, образуются отдельные органоиды и происходят другие процессы.
2. Клеточный уровень. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов на Земле. Отдельные органоиды в составе клетки имеют характерное строение и выполняют определенную функцию. Функции отдельных органоидов в клетке взаимосвязаны и выполняют единые процессы жизнедеятельности. У одноклеточных организмов (одноклеточные водоросли и простейшие) все жизненные процессы проходят в одной клетке, и одна клетка существует как отдельный организм. Вспомните одноклеточные водоросли, хламидомонады, хлореллу и простейших животных — амебу, инфузорию и др. У многоклеточных организмов одна клетка не может существовать как отдельный организм, но она является элементарной структурной единицей организма.

Тканевый уровень

Совокупность сходных по происхождению, строению и функциям клеток и межклеточных веществ образует ткань. Тканевый уровень характерен только для многоклеточных организмов. Также отдельные ткани не являются самостоятельным целостным организмом. Например, тела животных и человека состоят из четырех различных тканей (эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная). Растительные ткани называются: образовательная, покровная, опорная, проводящая и выделительная. Вспомните строение и функции отдельных тканей.

Органный уровень

У многоклеточных организмов объединение нескольких одинаковых тканей, сходных по строению, происхождению и функциям, образует органный уровень. В составе каждого органа встречается несколько тканей, но среди них одна наиболее значительная. Отдельный орган не может существовать как целостный организм. Несколько органов, сходных по строению и функциям, объединяясь, составляют систему органов, например пищеварения, дыхания, кровообращения и т. д.

Организменный уровень

Растения (хламидомонада, хлорелла) и животные (амеба, инфузория и т. д.), тела которых состоят из одной клетки, представляют собой самостоятельный организм)А отдельная особь многоклеточных организмов считается как отдельный организм. В каждом отдельном организме происходят все жизненные процессы, характерные для всех живых организмов, — питание, дыхание, обмен веществ, раздражимость, размножение и т. д. Каждый самостоятельный организм оставляет после себя потомство. У многоклеточных организмов клетки, ткани, органы и системы органов не являются отдельным организмом. Только целостная система органов, специализированно выполняющих различные функции, образует отдельный самостоятельный организм. Развитие организма, начиная с оплодотворения и до конца жизни, занимает определенный промежуток времени. Такое индивидуальное развитие каждого организма называется онтогенезом. Организм может существовать в тесной взаимосвязи с окружающей средой.

Популяционно-видовой уровень

Совокупность особей одного вида пли группы, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида, составляет популяцию. На популяционном уровне осуществляются простейшие эволюционные преобразования, что способствует постепенному появлению нового вида.

Биогеоценотический уровень

Совокупность организмов разных видов и различной сложности организации, приспособленных к одинаковым условиям природной среды, называется биогеоценозом, или природным сообществом. В состав биогеоценоза входят многочисленные виды живых организмов и условия природной среды. В природных биогеоценозах накапливается энергия и передается от одного организма к другому. Биогеоценоз включает неорганические, органические соединения и живые организмы.

Биосферный уровень

Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень. На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Главную роль в биосферном уровне выполняют "живые вещества", т. е. совокупность живых организмов, населяющих Землю. Также в биосферном уровне имеют значение "биокосные вещества", образовавшиеся в результате жизнедеятельности живых организмов и "косных" веществ (т. е. условий окружающей среды. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы.

Уровни организации жизни

Уровни организации органического мира - дискретные состояния биологических систем, характеризующиеся соподчиненностью, взаимосвязанностью, специфическими закономерностями.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, бигиоценотический и биосферный.

1. Молекулярно-генетический уровень жизни. Важнейшими задачами биологии на этом этапе является изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих генов под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию, являются: радиация, токсические химические соединения, вирусы.

Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации.

Еще один механизм изменчивости был открыт лишь в 1950 -е гг. Это - неклассическая рекомбинация генов, при котором происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами.

2. Клеточный уровень. Сегодня наукой достоверно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию. Цитология - наука, изучающая живую клетку, ее строение, функционирование как элементарной живой системы, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление к условиям среды и др. Также цитология исследует особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология была названа физиологией клетки.

Значительным продвижением в изучении клеток произошло в начале 19 века, было открыто и описано клеточное ядро. На основании этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии 19 в. Именно эта теория послужила фундаментом для развития эмбриологии, физиологии, теории эволюции.

Важнейшая часть всех клеток - ядро, которое хранит и воспроизводит генетическую информацию, регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Все клетки делятся на две группы:

· Прокариоты - клетки, лишенные ядра

· Эукариоты - клетки содержащие ядра

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два типа:

· Автотрофные - сами производят необходимые им питательные вещества

· Гетеротрофные - не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны), обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне.

3. Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Этот уровень возник в результате формирования живых организмов. Основной единицей жизни выступает отдельная особь, а элементарным явлением - онтогенез. Изучением функционирования и развития многоклеточных живых организмов занимается физиология. Эта наука рассматривает механизмы действия различных функций живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела это и есть процесс онтогенеза - развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение организма.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани - это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии.

Органы - это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. В свою очередь органы входят в состав более крупных единиц - систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечнососудистую, дыхательную и другие системы. Внутренние органы есть только у животных.

4. Популяционно-биоценотический уровень. Это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция. В отличии от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие генетически открытые системы. Изучением популяций занимается популяционная биология.

Термин "популяция" был введен одним из основоположником генетики В. Иогансеном, который назвал так генетически неоднородную совокупность организмов. Позднее популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой. Именно популяции являются теми реальными системами, через которые существуют виды живых организмов.

Популяции - генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически не бывает возможным обмен генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению новых видов.

Популяции, способны к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня - биоценозы. Биоценоз - совокупность популяций, проживающих на определенной территории.

Биоценоз представляет собой закрытую для чужих популяций систему, для составляющих его популяций - это открытая система.

5. Биогеоцетонический уровень. Биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для ее стабильного функционирования необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и исполняющей подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызвано массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.

Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, в которой выделяется несколько типов подсистем. Первичные системы - продуценты, непосредственно перерабатывающие неживую материю; консументы - вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов; затем идут консументы второго порядка. Также существуют падальщики и редуценты.

Через эти уровни в биогеоценозе проходит круговорот веществ: жизнь участвует в использовании, переработки и восстановлении различных структур. В биогеоценозе - однонаправленный энергетический поток. Это делает его незамкнутой системой, непрерывно связанной с соседними биогеоценозами.

Саморегуляция биогеоценлзов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия его компонентов зависит и устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия и гибели его как целостной системы.

6. Биосферный уровень. Это наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биосфера - это живое вещество планеты и преобразованная им окружающая среда. Биологический обмен веществ - это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций - важнейшая задача биологии на этом уровне жизни. Занимаются изучением этих проблем экология, биоценология и биогеохимия.

Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого В.И. Вернадского. Именно ему удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле. Вернадский открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.

Живые организмы являются открытыми высокоупорядоченными системами. Упорядоченность и иерархическая подчиненность поддерживаются за счет контролируемого обмена веществами и энергией с внешней средой - одного из основных свойств живого.

Обмен веществ (метаболизм) для удобства изучения делят на два противоположных и взаимосвязанных процесса, которые происходят одновременно:

I. Анаболизм (ассимиляция) включает процессы биосинтеза сложных органических веществ из более простых. При этом организм расходует энергию либо световую, либо химическую. Другие виды энергии живые организмы расходовать не могут .

Сложные органические вещества в свою очередь могут синтезироваться из неорганических соединений углерода (углекислый газ) или других, более простых органических соединений.

Исходя из этого, принята классификация живых организмов в соответствии с источником углерода и энергии :

Источник энергии		Источник углерода
		Автотрофы (СО 2)	Гетеротрофы (орг. в-ва)
	Фототрофы (энергия света)	Фотоавтотрофы: зеленые растения (H 2 O) цианобактерии (H 2 O) зеленые и пурпурные серобактерии (H 2 S)	Фотогетеротрофы: пурпурные несерные бактерии
	Хемотрофы (энергия химических реакций)	Хемоавтотрофы: азотфиксирующие бактерии	Хемогетеротрофы: Подавляющее большинство видов относится к фотоавтотрофам и хемогетеротрофам. При этом по биомассе автотрофы преобладают, т.к. дают химическую энергию для существования гетеротрофов. Но разнообразие видов значительно больше у гетеротрофов. Важнейшим процессом анаболизма является фотосинтез у растений и цианобактерий, в результате синтезируется крахмал из углекислого газа и воды. Фотосинтез является основным источником нарастания биомассы на Земле. Практически у всех организмов происходит биосинтез белка, нуклеиновых кислот (в т.ч. репликация ДНК), углеводов и липидов из других органических веществ, а также витаминов, восков, терпенов и др. соединений. II. Катаболизм (диссимиляция) включает процессы распада сложных органических веществ до более или менее простых с целью получения в первую очередь энергии (в виде носителей - АТФ, ГТФ, КФ). При этом образовавшиеся вещества могут в дальнейшем использоваться или выделяться из организма. Окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии в виде АТФ, называется клеточным дыханием . Его следует отличать от внешнего дыхания , т.е. газообмена между организмом и внешней средой. Универсальным источником энергии для человека и большинства живых организмов является глюкоза. Фруктоза также может подвергаться окислению. Глюкоза расщепляется до конечных продуктов - углекислого газа и воды - в присутствии кислорода. У организмов-аэробов, т.е. тех, которые имеют ферменты для кислородного расщепления, это происходит в интенсивно работающих тканях, например, в сердечной мышце. Другие ткани довольствуются энергией бескислородного расщепления - гликолиза. Глюкоза при этом расщепляется до ПВК и быстро получается небольшое количество энергии (2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы). При функциональной нагрузке эти ткани переходят на кислородные процессы. Следует отметить, что в результате катаболизма образуется не только химическая , но тепловая и электрическая энергия, иногда световая и механическая. Важным источником энергии, кроме углеводов, являются жиры, белки для получения энергии разрушаются только в случае голодания организма. ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИРНОВЫХ КИСЛОТ. ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА И ИНФОРМАЦИИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ ДНК и РНК - нуклеиновые кислоты, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Диаметр двойной спирали 2 нм (1 нм = 10 - 9 м), длина - несколько десятков или сотен микрометров (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК - полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды ДНК - соединения, состоящие из остатков молекул фосфорной кислоты, углевода дезоксирибозы и азотистого основания. У ДНК четыре типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Каждая цепь ДНК - полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. РНК - полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но меньших размеров. Мономеры РНК - нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода рибозы и азотистого основания. Три азотистых основания РНК - аденин, гуанин и цитозин - соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Известны 3 вида РНК: информационная (иРНК) - передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная (тРНК) - транспортирует аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) - содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы. Поток информации в живых организмах: ̾® ДНК ¾® Репликация (потомки) | ¾® ¯ (транскрипция (ядро)) | ¯ (трансляция (рибосомы)) | ¬¾ полипептид ͬ¾ признак Таким образом, информация о всех признаках организма хранится в ДНК, она передается потомкам и реализуется непосредственно данным организмом. Но на процесс реализации могут влиять образовавшиеся полипептиды и сформировавшиеся признаки. Это называется механизмом обратной связи. Репликация ДНК - это процесс, в результате которого из одной молекулы образуются две дочерние, полностью идентичные материнской, что обеспечивает передачу наследственной информации от поколения к поколению. Репликация осуществляется в соответствии со следующими принципами: Комплементарности ; Полуконсервативности , т.е. каждая дочерняя спираль включает в себя одну синтезированную и одну материнскую полинуклеотидные цепи; Антипараллельности . ДНК-полимераза движется от 3¢ к 5¢-концу, т.о. дочерняя нить подстраивается антипараллельно, т.е. от 5¢ к 3¢-концу. Прерывистости . Синтез дочерних нитей ДНК начинается сразу в нескольких местах. Вся молекула не раскручивается, т.к. она очень велика. Участок между двумя точками, где начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. В каждом репликоне есть так называемая вилка репликации , т.е. та часть молекулы, которая под действием специальных ферментов уже расплелась и служит матрицей для синтеза. В процессе репликации принимает участие много белков-ферментов. ДНК-геликаза расплетает двойную спираль ДНК, разделяя ее полинуклеотидные цепи. ДНК-топоизомераза разрывает связь между остатками фосфорной кислоты и дезоксирибозы в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй и снимать напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в репликационной вилке. РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки. ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи. ДНК-лигаза сшивает фрагменты после удаления РНК-затравки. РЕПАРАЦИЯ ДНК Данный механизм отличается очень высокой точностью воспроизведения структуры ДНК. 1. Главная роль в нем принадлежит ферменту ДНК-полимеразе, которая может допустить ошибку только в среднем 1 раз на 10 6 комплементарных пар оснований. Тогда вступает в действие механизм самокоррекции - отщепление ошибочного нуклеотида самой ДНК-полимеразой и замена его необходимым. 2. Ошибки, оставшиеся после самокоррекции между циклами репликации, обнаруживаются специфическими ферментами. Искажение структуры обнаруживается специфическими ферментами. Затем данный участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной (т.е. с «вырезанием») или дорепликативной . 3. Иногда дорепликативная репарация не может устранить все изменения, и они входят в обе дочерние молекулы. Эти изменения устраняются в ходе пострепликативной репарации. Она состоит в рекомбинации (обмене фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Примером такой репликации может служить удаление возникших тиминовых димеров. 4. SOS-репарация осуществляется при очень большом количестве ошибок специальными ферментами, активируемыми электромагнитным излучением (светом). При этом изменения структуры ДНК (мутации) закрепляются в генотипе. Данный вид репарации имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо быстро восстановить функциональную активность ДНК. СИНТЕЗ БЕЛКА Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК, а передается в цитоплазму информационной РНК (иРНК), которая комплементарна одной нити молекулы ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Свойства кода ДНК: триплетность . вырожденность. однозначность и наличие знаков препинания . неперекрываемость. непрерывность . универсальность . Транскрипцией называется перенос информации с ДНК на РНК. Причем матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей молекулы ДНК, называемая кодогенной цепью. Данный процесс происходит в ядре по принципу комплементарности. В транскрипции различают 4 стадии: 1. Связывание РНК-полимеразы (фермента, осуществляющего синтез РНК) с промотором . 2. Инициация - начало синтеза иРНК. В реакции участвуют нуклеотидтрифосфаты. Инициация - образование первой связи между двумя нуклеотидами (первый обычно АТФ или ГТФ). 3. Элонгация - рост цепи РНК. Для этого процесса необходимы ионы магния. В процессе элонгации образуется молекула РНК, состоящая из нуклеотидмонофосфатов, и освобождается пирофосфат (Н 4 Р 2 О 7). 4. Терминация - завершение синтеза РНК в участках-терминаторах. Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации. Трансляцией называется процесс синтеза белка на рибосомах, направляемый матрицей иРНК. Стадии: 1. Стадия активации аминокислот . Каждая аминокислота взаимодействует с молекулой АТФ под действием особого фермента, специфичного для каждой аминокислоты. Все эти ферменты носят общее название кодазы . 2. Присоединение фосфорилированных аминокислот к тРНК с образованием комплекса. Фермент при этом освобождается. 3. Собственно трансляция , или полимеризация, аминокислотных остатков с образованием пептидных связей. 4. Конформационная стадия (белок приобретает необходимую форму). Две первые стадии идут в цитоплазме. Третья стадия - в рибосомах. ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ Внутри самого структурного гена также различают участки смысловые (экзоны ) и несмысловые, «молчащие» (интроны ), т.е. ген имеет прерывистую, мозаичную структуру. На матрице структурного гена синтезируется так называемая про-иРНК, копия всего гена. Затем про-иРНК подвергается созреванию, или процессингу , в ходе которого там же в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс называется сплайсингом . Все интроны вырезаются не всегда. При изменении условий часть из них может остаться в зрелой иРНК подобно экзонам. Иногда же вырезаются какие-либо экзоны. Таким образом, один ген способен кодировать структуру нескольких белков. По окончании трансляции первая аминокислота в белковой цепи вырезается. Полученный полипептид имеет только первичную структуру, чтобы он приобрел функциональную активность, по выходу из рибосомы синтезируется вторичная, третичная, а у некоторых белков - четвертичная структура. РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА Регуляцию процессов биосинтеза белков описали в 1961 г. описали французские ученые Франсуа Жакоб, Андре-Мишель Львов, Жан Люсьен Моно у бактерий. За эту работу они получили нобелевскую премию. У прокариот можно выделить структуру, называемую опероном . Это участок ДНК, состоящий из следующих частей: Промотор - определенная последовательность нуклеотидов, которая связывается с ферментом РНК-полимеразой. Процесс связывания является первым этапом в последующей транскрипции. Оператор - участок ДНК, связанный с белком-репрессором. До тех пор, пока эта связь не нарушена, РНК-полимераза не будет считывать информацию. Ряд структурных генов , кодирующих информацию обо всех ферментах, участвующих в расщеплении определенного субстрата или синтезе какого-либо вещества. Терминатор - участок ДНК, на котором заканчивается считывание. При поступлении субстрата в клетку его молекулы связываются с белком-репрессором, который после этого теряет способность взаимодействовать с оператором, происходит инициация, а РНК-полимераза начинает синтезировать иРНК, комплементарную структурным генам (элонгация). Затем в рибосомах синтезируются соответствующие ферменты, расщепляющие данный субстрат. Если субстрата не остается, освобождается белок-репрессор, который вновь блокирует оператор, и синтез иРНК и ферментов прекращается. Таким образом, бактерия синтезирует только те ферменты, которые ей необходимы в данный момент, что позволяет экономить энергию. Другой вариант регуляции связан с накоплением конечного вещества какого-либо биохимического процесса. Это вещество является одновременно корепрессором, который, связываясь с репрессором, делает его активным, и активность оператора подавляется. У эукариот регуляция активности генов значительно сложнее. На нее влияют гормоны, медиаторы, другие биологически активные вещества, причем транскрипция, выход иРНК и трансляция регулируются отдельно и могут быть разделены во времени. Кроме того, структурные гены, кодирующие белки, необходимые для выполнения одной функции, могут быть расположены в разных хромосомах. Структура самих генов эукариот также более сложная. У эукариот собственно гены разделены участками «молчащей», нетранскрибируемой ДНК - спейсерами . Они играют важную роль в регуляции транскрипции. На них, в частности, расположены последовательности нуклеотидов, усиливающие или угнетающие ее (например, при связывании гормонов). Функции промотора выполняет так называемый блок TATAAT, обогащенный последовательностями аденина и тимина (иногда встречаются и другие последовательности). Затем идет собственно ген, а затем участок-терминатор. После чего вновь идет спейсерный участок.

Рассмотрите рисунки 5-9. Из каких частей состоят такие биологические системы, как клетка, орга низм, сообщество организмов? Вспомните, какие химические соединения входят в состав организмов.

Рис. 5. Молекулярно-генетический уровень

Окружающая нас живая природа представляет собой биологические системы разных уровней организации и сложности. По наличию специфических структурно-функциональных единиц жизни и процессов, происходящих с ними, можно выделить шесть основных уровней живой природы: молекулярно-генетический, органоид-но-клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный (рис. 5-10).

Любая биологическая система всегда состоит из молекул нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, а также других соединений. Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни является ген - участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), несущий наследственную информацию о структуре одного белка.

На молекулярно-генетическом уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности - кодирование, передача и реализация наследственной информации. На этом же уровне организации жизни осуществляется процесс изменения наследственной информации.

Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит клетка. Из клеток и межклеточного вещества состоят ткани, а ткани образуют органы и системы органов. Отдельная клетка состоит из органоидов - внутриклеточных структур, образованных молекулами органических и неорганических веществ.

Рис. 6. Органоидно-клеточный уровень

На органоидно-клеточном уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности: обмен веществ и превращение энергии в клетке, ее рост, развитие и деление. Следует подчеркнуть, что клетка, которая может выступать и как целостный организм, т. е. самостоятельная и автономная живая система.

Структурно-функциональная единица этого уровня организации жизни - организм. Он может быть одноклеточным, многоклеточным, или представлять из себя колонию.

На организменном уровне протекают процессы жизнедеятельности, обеспечивающие существование каждой особи как самостоятельной живой системы - питание, дыхание, выделение, размножение, рост, развитие и др. Целостность этой системы, т. е. организма, поддерживается взаимосвязью образующих его частей, выполняющих различные функции.

На этом же уровне организации жизни происходит реализация генетической программы организма и его самовоспроизведение. Взаимодействие со средой приводит к появлению у организмов изменчивости. Размножение организмов, осуществляющееся разными путями, обеспечивает не только самовоспроизведение жизни на этом уровне, но и комбинирует признаки родительских особей, участвовавших в размножении, в соответствии с законами наследственности.

Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит вид организма, представленный в природе живущими на определенной территории особями, связанными родственными связями - популяциями. В популяциях на основе наследственной изменчивости выживают наиболее приспособленные особи, обладающие полезными при определенных условиях признаками. От этих особей постепенно в ходе исторического развития органического мира образуются новые виды организмов, т. е. происходит видообразование.

Рис. 7. Организменный уровень

Популяции разных видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вместе с условиями неживой среды, например светом, влагой, воздухом, образуют биогеоценоз. В нем между живыми организмами и неживой природой устанавливаются различные взаимосвязи. В результате изменений, вызванных деятельностью живых организмов или влиянием неживой природы, постепенно одни биогеоценозы превращаются в другие, т. е. происходят их развитие и смена.

Рис. 8. Популяционно-видовой уровень

Все биогеоценозы нашей планеты образуют - биосферу, т. е. оболочку Земли, населенную и активно преобразуемую организмами. В ней происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии), а также изменения, связанные с эволюцией живой природы и вызванные деятельностью человека.

Рис. 9. Биогеоценотический уровень

Таким образом, жизнь на нашей планете представляет собой открытые для веществ, энергии и информации саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы различного ранга (ген, клетка, организм, вид, популяция, биогеоценоз, биосфера), объединенные происходящими в них процессами жизнедеятельности и развития.

Рис. 10. Биосферный уровень

Упражнения по пройденному материалу

1. На основании чего в современной науке сложилось представление об уровнях организации жизни?
2. Что является структурно-функциональной единицей каждого уровня организации жизни?
3. Какие про цессы жизнедеятельности происходят на каждом уровне организации жизни?

Молекулярно-генетический уровень жизни - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов - молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр-но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы - гигантские мо-

лекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

Белки - это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот - органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (-NH 2).

В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями 1 , образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения - результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Нуклеиновые кислоты. Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двух видов макромолекул - белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нук-

1 Пептидная связь - это химическая связь -CO-NH-.

леиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством - молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40-50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения - солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir - рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты - это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (поли-нуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонук-леиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген - это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4-6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК - 10-25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген - один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы - рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует

о биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация - это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая - новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.

Транскрипция - это перенос кода ДНК путем образования од-ноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК - это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция - это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки - рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей -

они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости - неклассическая рекомбинация генов - был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них - плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазми-дами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки - генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производство белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основе всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин - белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мы-

шами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры - особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество - полимераза - идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопи-рованный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент - теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования - точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования - рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один - выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии

не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом - болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном - это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она бьыа представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК - последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии - метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и

не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Связано это с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывают возможность создания генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов; появление неизвестных заболеваний и производство биологического оружия.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами - вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать и приостановить подобные работы.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

Клеточный уровень

На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Сегодня наукой точно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Успехи современной цитологии неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Открытие существования клеток произошло в конце XVII в., когда был изобретен микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Р. Гуком в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди создателей клеточной теории следует также назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных

организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно клеточная теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты, или органеллы, клетки - мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям - существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 10 15), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества - воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды - специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподоб-ных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы - маленькие органы, отграниченные от содержимого цитоплазмы собственными мембранами. Среди них - митохондрии - мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых осуществляется биосинтез белка в клетке. Эн-доплазматическая сеть - это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.

Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы - длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Клетки размножаются путем деления исходной клетки на две дочерние. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию, поэтому перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки - яйца. Однако в процессе эмбриогенеза клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток - мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, каждая клетка многоклеточного организма несет в себе полный набор генетической информации для построения всех белков, необходимых для организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на д в е группы:

1) прокариоты - клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

2) эукариоты - клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии - органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х гг., когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три эволюционные линии, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы - организмы, не нуждающиеся в органической пище и могущие осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы - это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Вся живая природа представляет собой совокупность биологических систем разного уровня организации и различной соподчинённости.
Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которое данная биологическая структура занимает в общей системе организации природы.

Уровень организации живой материи - это совокупность количественных и качественных параметров определенной биологической системы (клетка, организм, популяция и т.д.), которые определяют условия и границы ее существования.

Выделяют несколько уровней организации живых систем, которые отражают соподчинённость, иерархичность структурной организации жизни.

• Молекулярный (молекулярно-генетический) уровень представлен отдельными биополимерами (ДНК, РНК, белками, липидами, углеводами и другими соединениями); на этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ. Этим занимается наука - молекулярная биология.
• Клеточный уровень - уровень, на котором жизнь существует в форме клетки - структурной и функциональной единицы жизни, изучает цитология. На этом уровне изучаются такие процессы, как обмен веществ и энергии, обмен информацией, размножение, фотосинтез, передача нервного импульса и многие другие.

Клетка - структурная единица всего живого.

• Тканевый уровень изучает гистология.

Ткань - это совокупность межклеточного вещества и сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям клеток.

• Органный уровень . Орган включает в свой состав несколько тканей.
• Организменный уровень - самостоятельное существование отдельной особи - одноклеточного или многоклеточного организма изучают например, физиология и аутэкология (экология особей). Особь как целостный организм представляет собой элементарную единицу жизни. В другой форме жизнь в природе не существует.

Организм - это реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее свойствами.

• Популяционно-видовой уровень - уровень, который представлен группой особей одного вида - популяцией; именно в популяции происходят элементарные эволюционные процессы (накопление, проявление и отбор мутаций). Этот уровень организации изучают такие науки как демэкология (или популяционная экология), эволюционное учение.

Популяция - это совокупность особей одного вида, длительно существующих на определенной территории, свободно скрещивающихся и относительно изолированных от других особей того же вида.

• Биогеоценотический уровень - представлен сообществами (экосистемами), состоящими из разных популяций и среды их обитания. Этот уровень организации изучает биоценология или синэкология (экология сообществ).

Биогеоценоз - это совокупность всех видов с различной сложностью организации и всех факторов среды их обитания.

• Биосферный уровень - уровень, представляющий совокупность всех биогеоценозов. В биосфере происходит круговорот веществ и превращение энергии с участием организмов.