Текст книги "Биология"

Биология
Учебник для вузов
Виталий Александрович Королев
Сергей Анатольевич Кутя
Татьяна Павловна Сатаева

Существует только один Бог – знания

и только один дьявол – невежество.

Сократ из Аттики

© Виталий Александрович Королев, 2015

© Сергей Анатольевич Кутя, 2015

© Татьяна Павловна Сатаева, 2015

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение. Определение и задачи биологии как науки

Термин «биология» предложил в 1802 г. создатель первой теории эволюции Жан Батист Ламарк. Дословно, биология – это учение о жизни: «биос» – жизнь и «логос» – учение (с греч.). Наука биология изучает биологическую форму движения материи. Это высшая форма движения материи, т.к. она объединяет в себе другие формы – химическую, физическую, механическую (Ф. Энгельс).

Биология относится к естественным наукам и в настоящее время занимает ведущее место в общей системе знаний, поскольку позволяет наиболее полно раскрыть сущность жизни и управлять жизненными процессами.

Главная задача биологии на современном этапе – это создание рациональных взаимоотношений человека и природы, без чего дальнейшее существование жизни на Земле бесперспективно.

Жизнь на Земле олицетворяет живое вещество, представленное огромным многообразием организмов различной степени сложности. В связи с этим в биологии сложились научные направления и оформились специальные науки: вирусология, микробиология, зоология, ботаника и др. В свою очередь, они включают определенные разделы других наук: генетики, биохимии, биомеханики и т. д.

Таким образом, современная биология – это система биологических знаний. Особое место в этой системе занимает биология человека.

Человек – биосоциальное существо, представляющее неотъемлемую часть природы. Он подчиняется общим принципам и закономерностям жизнедеятельности. Вместе с тем, человеку, популяциям людей и антропобиоценозам свойственны свои параметры развития и существования, которые наряду с биологическими изучают и социальные науки. Теоретические достижения антропобиологии нашли широкое применение в медицине, что привело к формированию медицинской биологии. В реально обозримом будущем медицинская биология и ее составляющие: молекулярная биология, биология развития, клиническая генетика, паразитология, популяционная генетика человека позволят решить целый ряд, казалось бы, неразрешимых ранее проблем, связанных с профилактикой, диагностикой и лечением многих заболеваний, увеличением продолжительности жизни, оздоровлением среды обитания.

Роль биологии на современном этапе столь велика, что по уровню биологических знаний и развитию биотехнологий в той или иной стране судят об ее научно-техническом потенциале и интеллектуальном состоянии общества.

Научно-техническая революция обогатила биологию широким набором методов и методических комплексов исследований. Все они обязательно указываются в специальных руководствах и учебниках по разделам биологических знаний. Их можно сгруппировать как общебиологические методы и методы по разделам основных биологических наук.

I. Общебиологические методы

Наблюдение. Основано на получении информации о природном процессе, явлении или объекте с последующим анализом и выводами. Наблюдения бывают полевые (на полигонах) или лабораторные (in vivo – протекающие в живом организме, in vitro – вне организма). Частный вид наблюдения — мониторинг: слежение на протяжении определенного времени за объектами или явлениями, с использованием различных регистрирующих средств.

Эксперимент. Искусственное воспроизведение процесса или природного явления с регистрацией полученных данных и их последующим анализом. Частный вид эксперимента – моделирование, метод исследования сложных объектов или процессов путем их упрощенного иммитирования. Иммитация может быть натурной, математической, логической. Метод базируется на теории подобия.

II. Методы по разделам основных биологических наук

Цитологические связаны с исследованиями клетки: микроскопия – световая, электронная, ультрафиолетовая; метод культуры ткани, метод микрохирургических воздействий на клетку, гистохимические методы.

Генетические связаны с изучением наследственности и изменчивости: гибридологический, генеалогический, близнецовый, популяционно-статистический, цитологический, биохимический; комплекс селекционных методов.

Методы изучения эволюции: исторический, палеонтологический, сравнительно-анатомический, эмбриологический.

Экологические методы: мониторинг, математическое моделирование, эксперимент.

Биотехнологические методы – комплекс наиболее перспективных методик, характеризующих появление синтетической биологии, позволяющей создавать новые биологические компоненты, устройства и системы.

Раздел І. Биологические основы жизнедеятельности. Общая характеристика жизни

Природа жизни

Жизнь как биологическая форма движения материи – одна из наиболее сложных проблем Мироздания. Она объективно существует на планете Земля в течение долгого исторического периода. Одним из первых ученых, представивших основы планетарно-космической организации жизни, был отечественный академик В. И. Вернадский.

Согласно разносторонним оценкам, возраст Земли составляет примерно 4,5—5,0 миллиардов лет. Жизнь на Земле длится около 4,0 миллиардов лет. Таким образом, становление нашей планеты и возникновение на ней жизни в космических параметрах времени произошло почти одновременно. Очевидно, что дальнейшая эволюция происходила при их тесном взаимодействии, нося взаимообусловленный характер. Биолог и геохимик В. И. Вернадский глубоко осмыслил это явление. Им была создана новая обширная область знаний, которую теперь называют наукой о Земле. В ней взаимодействуют геология, геохимия и гидрохимия, почвоведение, география и, конечно, биология. Принципиально новый подход состоял в том, что ученый объединил биоту – живое вещество и сферу его обитания – косное вещество в единое целое – биосферу, живую оболочку Земли.

Живое вещество представлено всей совокупностью живых организмов планеты, существующих в данный момент, независимо от систематики. Оно биохимически чрезвычайно активно и связано с неживой природой непрерывными биогенными потоками атомов и молекул при реализации своих основных функций: питание, дыхание, выделение, размножение. Возникнув, живое вещество приобрело и совершенствовало уникальную способность улавливать, аккумулировать и трансформировать космическую энергию Солнца. Тем самым, в ходе эволюции Земли возник мощный фактор, определивший ход последующих глобальных перестроек ее поверхности. Как отметил В. И. Вернадский, весь лик Земли на современном историческом этапе – ее ландшафты, газовый состав атмосферы, химизм океанов – результат работы живого вещества. Оно придало планете Земля уникальность не только в масштабах Солнечной системы, но, возможно, и Галактики. Идею космической организации жизни во всех ее разнообразных проявлениях, включая человечество, отражают следующие слова выдающегося естествоиспытателя: «Отдельные частные явления соединяются вместе как части одного целого, и в конце концов получается одна картина Вселенной, Космоса, в которую входят и движение небесных светил и строение мельчайших организмов, превращения человеческих обществ, исторические явления, логические законы мышления или бесконечные законы формы и числа» (В. И. Вернадский «Труды по всеобщей истории науки», М., 1988, С. 51—52).

Многообразие проявлений жизни, ее зависимость от положения в Солнечной системе и параметров солнечной активности затрудняет исчерпывающую формулировку. В максимальном приближении жизнь – это глобальная планетарная самоуправляемая энергетически и информационно открытая материальная система, представленная большим разнообразием форм единого в физико-химическом отношении живого вещества.

Главные свойства жизни

В состав живых организмов на атомном уровне входят те же химически элементы, что и в состав неживой материи. Однако, на молекулярном уровне возникают различия, выделяющие живое из неживого.

Живые организмы имеют свойственные только им системы химических связей и взаимодействий между молекулами: ковалентные, ионные, водородные связи, гидрофобные взаимодействия. Биополимеры живых организмов способны образовывать интерполимерные комплексы как между отдельными частями молекул, так и между разными молекулами. Возможность образования этих комплексов, их последующие превращения, а также разрушение обеспечивает важнейшее свойство живой системы – обмен веществ. Его содержание составляют синхронизированные процессы ассимиляции (процессы синтеза, анаболизм) и диссимиляции (процессы распада, катаболизм). В ходе ассимиляции создаются или обновляются различные морфологические структуры, процесс идет с поглощением энергии и называется пластический обмен. При диссимиляции происходит расщепление сложных химических соединений на относительно простые, сопровождающееся выделением энергии – энергетический обмен. Пластический и энергетический обмены тесно взаимосвязаны, составляя единый метаболический цикл. Местом приложения его является клетка.

Живая клетка – это упорядоченная система, в которой природа объединила форму и процесс, структуру и функцию.

Клеткам живых организмов свойственно получать извне, пропускать и частично выделять различные химические соединения. Следовательно, клетки – это открытые системы. Их работа построена по принципу саморегуляции, которая генетически запрограммирована. Хранение генетической информации и ее последующая реализация в длинном ряду поколений осуществляется системой клеточных нуклеиновых кислот. В целом это обеспечивает фундаментальное свойство жизни – историческую непрерывность биологических процессов.

Одним из обязательных свойств жизни является способность к репродукции (размножение). В ходе размножения организмы дают потомство, то есть производят себе подобных. Тем самым, обеспечивается преемственность между родителями и потомками, реализуется механизм наследственности.

Однако, сходство родителей и потомков не бывает абсолютно полным. В этом состоит механизм изменчивости и связанные с ним эволюционные перестройки.

Жизненным отражением космических процессов является эволюционно выработанная биологическая ритмичность – универсальная особенность жизни.

Биоритмы – это количественные и связанные с ними качественные смены биологических процессов, которые проходят на разных уровнях организации. Возникновение их обусловлено планетарными взаимодействиями, вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Различают экзогенные и эндогенные биоритмы, соответственно вызываемые внешними и внутренними ритмогенными факторами. Самым распространенным является циркадианный (циркадный) суточный биоритм, вытекающий из фотопериода – смены дня и ночи. Растительный и животный мир реагирует на фотопериод фотопериодизмом, сложным комплексом изменений жизнедеятельности. Фотопериодизм служит существенным компонентом таких элементов высшей нервной деятельности как инстинкты. Хронобиология – наука, изучающая закономерности периодически повторяющихся биологических процессов в живом мире.

Важным проявлением жизни служит раздражимость – способность живых организмов реагировать на определенные воздействия окружающей среды. Характер раздражителей, а, следовательно, и ответные адекватные реакции организмов на них очень разнообразны. Они имеют свои особенности у представителей животного и растительного мира.

Наиболее распространенной формой проявления раздражимости служат разнообразные движения – активные и пассивные. Движение – одно из наиболее ярких свойств жизни. В мире животных движения выражены в виде таксисов. Это определенное положительное или отрицательное перемещение относительно раздражителя (фототаксис, термотаксис, хемотаксис). Для растений характерны тропизмы, настии, нутации. В целом движения отражают разные пути эволюционных перестроек и адаптации к среде обитания.

Свойствами живых систем является также дискретность и целостность, энергозависимость, способность трансформировать полученную энергию.

Жизнь многолика. Все ее свойства объединяет единый процесс развития, который охватывает неживую природу, живое вещество и человеческое общество.

Уровни организации жизни

Живая природа представляет сложно организованную систему частей, объединенных общей стратегией жизни. В связи с этим в науке сложились представления об уровнях организации живой материи. Уровень организации определяется по двум принципам – временному и территориальному. Это связано с тем, что разнообразные биологические процессы требуют специфических условий и потому совершаются в определенных границах, выразительно отличаясь по скорости течения. При объединении территориального и временного параметра формируется тот или иной уровень организации в виде сравнительно однородного биологического комплекса. Он характеризуется двумя основными показателями: элементарной структурной единицей и элементарным биологическим явлением. В настоящее время принято выделять следующие уровни:

Молекулярно-генетический уровень.

Элементарные структуры – коды наследственной информации, то есть последовательности триплетов нуклеотидов молекулы ДНК. Элементарные явления – воспроизведение этих кодов по принципу матричного синтеза или конвариантная редупликация (удвоение) молекулы ДНК. Механизм редупликации обусловливает тиражирование генов. Это позволяет передавать генетическую информацию в ряде поколений клеток и обеспечивает механизмы наследственности. Имеющие место случаи ошибок синтеза изменяют кодоны, что сразу же воспроизводится в молекулах копиях. Редупликация становится конвариантной, то есть происходящей с изменениями (явления генных мутаций).

Перенос информации в оформленную структуру, белковую молекулу, обеспечивается набором специализированных внутриклеточных образований – органелл в процессе синтеза белка. Экологические проблемы уровня: рост мутагенных воздействий, увеличение доли мутаций в генофондах.

Клеточный уровень. Элементарные структуры – клетки. Элементарные явления – жизненные циклы клеток. Клетка превращает поступающие в организм вещества и энергию в форму, пригодную для использования организмом, тем самым, обеспечивает процессы жизнедеятельности. Каждая клетка относительно автономна и представляет самостоятельно функционирующую единицу. В составе целого организма клетки объединяются в ткани и органные системы. Между ними налажена система физиолого-биохимических и структурно-функциональных связей, характерная для тканей данного организма. Экологические проблемы уровня: рост клеточной патологии в связи с загрязнением среды, нарушение воспроизводства клеток.

Организменный уровень. Элементарные структуры – организмы и составляющие их системы органов. Элементарные явления – комплекс физиологических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность. На данном уровне осуществляется механизм адаптации и складывается определенное поведение живых существ в конкретных условиях среды обитания. Наследственная информация, заключенная в генотипе, реализуется теми или иными фенотипическими проявлениями. Управляющая система — генотип. Экологические проблемы уровня: снижение адаптационных возможностей организмов, развитие пограничных состояний у человека (состояние между здоровьем и болезнью).

Популяционно-видовой уровень. Элементарные структуры – популяции. Элементарные явления – видообразование на основе естественного отбора. Популяция – основная эволюционная единица. Важнейший эволюционно-генетический показатель популяции – её генофонд. Это управляющая подсистема уровня. Генофонд определяет эволюционные перспективы и экологическую пластичность популяций. Имеется ряд факторов, вызывающих изменение генофонда популяций: мутации, генетическая комбинаторика, популяционные волны, изоляция. Реализация изменений происходит путем естественного отбора. Экологические проблемы уровня: ухудшение экологических показателей популяций (численность, плотность, возрастной состав и т.д.).

Биосферно-биогеоценотический уровень. Элементарные структуры – биогеоценозы. Элементарные явления – динамическая взаимосвязь биогеоценозов в масштабах биосферы. Управляющая подсистема уровня – генопласт (термин ввел академик М. А. Голубец). Это совокупность генофондов и генотипов, адаптированных друг к другу популяций в окружающей их среде. Весь комплекс биогеоценозов образует живую оболочку Земли – биосферу. Между биогеоценозами происходит не только материально-энергетический обмен, но и постоянная конкурентная борьба, что придает биосфере в целом большую динамичность. Вся биогеохимическая работа биосферы обеспечивается ее биогеоценозным комплексом. Экологические проблемы уровня: увеличение числа антропоценозов и их глобальное распространение, загрязнение сред, изменение озонового экрана Земли.

На любом уровне живой системы происходит поступательное развитие с обменом веществом, энергией, информацией.

Рассмотренные биологические уровни живой природы взаимосвязаны по принципу соподчинения или биологической иерархии. Система низшего уровня обязательно включается в уровень вышестоящего порядка. Следовательно, идея биологических уровней с одной стороны подразделяет живую природу на отдельные составляющие – дискретные единицы, а с другой стороны объясняет ее целостность как системы взаимосвязанных частей, начиная от органических макромолекул и кончая живой оболочкой Земли биосферой.

Формы жизни

В настоящее время на планете Земля сложились две формы жизни – неклеточная и клеточная.

Неклеточная форма жизни

Ее представляют вирусы, которых выделяют в самостоятельную группу Вира (Vira). Открытие вирусов связано с именем русского ученого Димитрия Ивановского. В 1892 году им доказано, что вирусы – это субмикроскопические частицы, способные проходить через фильтры и вызывать инфекционные заболевания. Однако, только в 1935 году основатель вирусологии американец Уэнделл Стэнли получил в чистом виде «дедушку» всех вирусов – вирус мозаичной болезни табака. Он установил белковую природу вируса, способность его белков принимать кристаллическую форму.

Вирус парадоксален! Пребывая в состоянии гигантской макромолекулы (частицы), он не проявляет признаков жизни. Живые свойства вируса обнаруживаются только при попадании его в клетку. Здесь он способен, как все живое, быстро размножаться и мутировать, используя структурные компоненты клетки хозяина. Если в инертном состоянии вирус сохраняется годами и даже веками, то его жизненная форма может существовать лишь несколько часов.

Таким образом, вирусы заполняют сумеречную зону жизни. Они расположились на полпути между молекулой и клеткой, живым и неживым.

Вирусы – это паразиты клеток. Каждый вид вирусов может заражать только определенный клеточный набор. В связи с этим выделяют: вирусы растений, животных (включая человека), грибов и бактерий. Последние называются бактериофаги.

Строение вирусов. Зрелые частицы вирусов – вирионы или вироспоры состоят из белковой оболочки и нуклеокапсида, содержащего генетический материал. Иногда под белковым слоем находится слой липидов, что придает капсиду особую прочность и препятствует проникновению ферментов и биологически активных веществ клетки хозяина к вирусу. Это имеет огромное значение для сохранения его функциональной активности. Под оболочкой содержится нуклеиновая кислота – носитель генетической информации вируса.

По своей генетической организации вирусы подразделяются на две группы. Первая группа вирусов включает только ДНК, которая обычно кольцевидно закручена и имеет одноцепочечную структуру, а не двухцепочечную (двойная спираль).

Вторая группа вирусов содержит РНК. Особенность вирусной РНК состоит в том, что наряду с одноцепочечной структурой она может быть двухцепочечной, то есть приобретать вид двойной спирали (ретровирус, вирус раневых опухолей растений и др.) см. рис.1.

Проникновение вируса в клетки хозяина происходит следующим образом. В месте контакта вируса с клеткой возникает впячивание клеточной мембраны. Оно углубляется внутрь клетки и затем отшнуровывается. В цитоплазме клетки образуется подобие вакуоли, которая вместе с капсидом быстро разрушается и вирусная нуклеиновая кислота оказывается в цитоплазме пораженной клетки.

Дальнейшее взаимодействие может осуществляться двумя способами. Первый состоит в том, что РНК вируса с помощью фермента ревертазы связывается с рибосомой клетки хозяина, в результате чего происходит трансляция генетической информации вируса и в клетке продуцируется патологический вирусный белок. Данный путь характерен для вирусов гриппа и ВИЧ. Второй вид взаимодействия – это способность ДНК вируса встраиваться в ДНК клетки и соответственно передавать свою информацию через геном клетки хозяина. Таким образом реализуют собственные возможности вирусы раковых заболеваний (онковирусы).

Рис. 1. Строение ДНК-содержащего вируса.

Проникнув в клетку хозяина, вирусы быстро подавляют ее системы репарации (восстановления) и могут разрушить клетку. Клетки противодействуют вирусам, вырабатывая антивирусные белки-интерфероны.

Вирус, в отличие от многих клеток, абсолютно лишен собственных средств передвижения. Он передается при непосредственном контакте организмов или через переносчиков, которыми могут быть различные представители животного мира. Несмотря на относительную простоту организации, вирусы прочно удерживают свои позиции в природе. Более того, они усиливают свою агрессивность. На это указывает возросшая частота вирусных заболеваний, а также появление новых вирусов, вызывающих тяжелые заболевания человека: вирус иммунодефицита (СПИД), вирус нетипичной пневмонии.

Клеточная форма жизни

Данную форму жизни представляют клетки двух типов — прокариотические и эукариотические.

Относительно просто устроенные прокариотические, безъядерные, клетки возникли в первичном океане жизни примерно 3,5 миллиарда лет назад. Эукариотические клетки, имеющие ядра, образовались позднее. Мы не имеем неоспоримых доказательств происхождения эукариотических клеток из прокариотических. Здесь возможны пока лишь гипотезы. Важнейшая из них гипотеза клеточного симбиоза. Согласно ей эукариотические клетки вначале эволюционного пути были анаэробными организмами. В дальнейшем установился их стабильный симбиоз с бактериями. Считают, что главная окислительная система клеток эукариот – митохондрии, произошла от особого рода фотосинтезирующих бактерий, утративших способность к фотосинтезу и сохранивших только дыхательную цепь. Возможны и другие комбинации разнообразных жизненных начал. Как бы то ни было, создав биологическую модель в виде клетки, природа в дальнейшем широко использовала ее в ходе эволюции, создавая живые формы различной степени сложности.

Сравнительная характеристика прокариот и эукариот