Химический состав живых организмов

Химический состав живых организмов

Введение

Биология – наука  о жизни. Термин, предложенный в начале XIX века независимо Ж.Б. Ламарком и Г. Треверанусом, происходит от двух греческих  слов: bios – жизнь и logos – учение. Биология изучает жизнь как особую форму движения материи, процессы ее развития и законы существования. Предметом изучения биологии являются живые организмы, их строение, функции и поведение, индивидуальное и историческое развитие, их взаимоотношения друг с другом и окружающей средой.

Методы биологии – это описательные, сравнительные, исторические и экспериментальные, в том числе метод математического моделирования.

Биология изучает  жизнь во всех ее проявлениях.

Классическое определение  жизни дано Ф. ЭНГЕЛЬСОМ.

«Жизнь - есть 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».

Энгельс имел в виду не собственно белки, а структуры, содержащие их.

С современных позиций  «Жизнь – это макромолекулярная, открытая система, которой свойственны  иерархическая организация, способность  к самовоспроизведению, обмен веществ  и тонко регулируемый поток энергии».

Субстратом жизни  является комплекс белков и нуклеиновых кислот (нуклеопротеиды).

К основным свойствам  живого относятся:

• Существование в виде открытых систем;
• Самообновление;
• Саморегуляция;
• Обмен веществ
• Наличие биологических полимеров;
• Дискретность и целостность;
• Гомеостаз
• Самовоспроизведение
• Наследственность
• Изменчивость
• Онтогенез
• Раздражимость, возбудимость, движение
• Существование в составе БГЦ
• Включенность в филогенез.

Исходя из перечисленных  свойств, к определяющим - фундаментальным  свойствам живого относятся – самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение.

Иерархический принцип  организации живых систем дает возможность выделить уровни организации живого.

На каждом уровне имеется элементарная единица - ЭЕ (это структура или объект) и элементарное явление –ЭЯ (закономерные изменения элементарных единиц в процессе сохранения и развития Жизни).

Каждому уровню организации  свойственны системные связи, регуляторные механизмы, которые обеспечивают гомеостаз системы и возможность оптимально жить.

Выделяют следующие  уровни организации:

• Молекулярно-генетический ЭЕ – ген, ЭЯ – конвариантная репликация, или самовоспроизведение с возникновением некоторых изменений матрицы;
• Клеточный ЭЕ клетка, ЭЯ – клеточный метаболизм (потоки вещества, энергии, информации);
• Тканевой ЭЕ – совокупность сходных клеток, ЭЯ- становление структуры и функционирования в едином организме;
• Органный ЭЕ – органы, ЭЯ- становление их структуры и функции;
• Организменный (онтогенетический) – ЭЕ – особь, ЭЯ – закономерности изменения особи в онтогенезе (рост, диффиринциация частей, интеграция);
• Популяционно-видовой ЭЕ – популяция, ЭЯ – эволюционно-значимые изменения генофонда популяции за счет ЭЭФ);
• Биогеоценотический ЭЕ – биогеоценоз, ЭЯ- вещественно-энергетический круговорот;
• Биосферный ЭЕ – живая оболочка земли, ЭЯ- все явления жизни, активно приобретаемые живыми организмами.

Уровни организации отражают важнейшие биологические явления, без которых невозможна эволюция и само существование жизни. Уровни организации отражают общую структуру эволюционного процесса.

Клетка - элементарная живая  система. Основные положения  клеточной теории. Химическая организация клетки Прокариотическая и эукариотическая клетки. Основные структурные компоненты эукариотической клетки. Неклеточные формы жизни.

Клетка - элементарная живая система

Клетка – основная структурная и функциональная единица  живой материи. Это целостная система, способная к самостоятельному существованию и самовоспроизведению. Клетка может существовать как отдельный организм ( бактерии , простейшие, некоторые водоросли и грибы ) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Термин "клетка" был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г . По мере совершенствования оптических приборов, в первую очередь микроскопа, появлялись все более подробные описания клеток, как растительных, так и животных. Накопление данных о клеточном строении живых организмов находилось в зависимости от уровня развития увеличительных приборов. Первый увеличительный прибор был изобретен голландскими оптиками Гансом и Захарием Янссенами в 1590г. Галилео Галилею (1610 г) принадлежит попытка сконструировать микроскоп ( сочетание линз вмонтированных в свинцовую трубку). Антон ван Левенгук изготовил более 400 вариантов микроскопов. Важным моментом было введение иммерсионных объективов (водяной иммерсии 1850, масляной - 1886), конденсора Аббе (1873), апохроматов (1886). Большую роль сыграло применение разнообразных методов фиксации тканей, а также заливка их в разные среды. Создание в 30 –е годы нашего столетия электронного микроскопа сыграло существенную роль для исследования ультраструктурной организации клеточных компонентов.

ХРОНОЛОГИЯ накопления данных о клеточном строении организмов.

1. 1665 г Р. Гук в работе « Анатомия растений» характеризует микроскопические структуры растений, где описал ячейки тканей пробки дуба, назвав их клетками (китос (греч.)- полость, целлюла ( лат.) - ячейка).
2. 1671 г. Мальпиги и Грю указали, что разнообразие частей растений состоит из тесно расположенных «мешочков» и «пузырьков».
3. 1680 г. А.ван Левенгук открыл и описал мир одноклеточных организмов, описал эритроциты, сперматозоиды млекопитающих, открыл хроматофор в клетках нитчатой водоросли спирогиры, однако он переоценивал роль клеточной стенки.
4. 1781 г. Ф.Фонтана описал клетки животных.
5. 1809 г. Ж.Б. Ламарк отметил «тело является живым лишь в том случае, если его составные части построены из клеток».
6. 1824 г. Дютроше разъединил клетки (мацерировал), показал, что ткань состоит из клеток, склеенных между собой. Считал, что рост происходит за счет увеличения объема клетки и за счет образования новых маленьких клеток.
7. 1830 г ( по «Вилли» – 39г.). Я. Пуркине и его школа отметила, что главной составной частью клетки является не клеточная стенка, а протоплазма (живое содержимое клетки) .
8. 1831 г ( по Ченцову –33г.).Р. Броун у орхидных в протоплазме открыл постоянный компонент – ядро.
9. 1838 г. М.Шлейден сделал существенный шаг в раскрытии роли ядра в растительных клетках.
10. 1839 г. Т.Шванн в работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений» обобщил имеющиеся данные о клеточном строении организмов и сформулировал клеточную теорию.
11. 1848 г. Моль показал значение протоплазмы, ядра. Благодаря его работам стали известны работы Я.Пуркине.
12. 1858, 59 г.г. Р. Вирхов в книге «Целлюлярная патология» уточнил последнее положение клеточной теории, указав, что клетки возникают только из клеток, путем их деления. а не из неклеточного вещества.
13. 1861 г. Шульце рассматривал клетки как комочек протоплазмы с лежащим внутри ядром.
14. 1882 г. Страсбургер раскрыл понятие «протоплазма шире, выделил цитоплазму, кариоплазму.
15. Изучению клетки посвятили свои труды русские ученые, среди них К.М.Бэр (открыл яйцеклетку млекопитающих и установил, что «все многоклеточные организмы начинают свое развитие из одной клетки, клетка – не только единица строения, но и единица развития всех живых организмов»). П.Ф.Горянинов, И.Д.Чистяков, В.И.Беляев, С.Н.Навашин. Работами А.А.Заварзина , Н.Г.Хлопина, их школами были вскрыты основные закономерности клеточного и тканевого развития (концепция тканевой эволюции).

Т. Шванн, немецкий физиолог и гистолог обобщил накопленные данные, касающиеся клеточного строения живых организмов и в работе « Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», написанной в 1839 г . (Рис.1)

 

Рис.1 Создатели клеточной теории (слева Т. Шванн, справа М. Шлейден)

Согласно клеточной  теории этих ученых:

• все организмы состоят из одинаковых структурных единиц - клеток;
• клетки растений и животных сходны по строению, образуются и растут по одним и тем же законам

В 1858 г . немецкий ученый Рудольф Вирхов обосновал принцип  преемственности клеток путем деления. Он писал: "Всякая клетка происходит из другой клетки ...". Данное утверждение  стало третьим положением клеточной  теории.

Варианты современных трактовок современной клеточной теории:

Первый вариант

1. Клетка – наименьшая единица живого, основная единица строения и развития всех живых организмов;
2. Клетке присуще мембранное строение.
3. Каждая новая клетка образуется в результате деления исходной клетки. Процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференцировку растительных и животных тканей.
4. Клетки всех организмов сходны по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ.

Второй  вариант

• все живые организмы состоят из клеток. Клетка — единица строения, функционирования, размножения и индивидуального развития живых организмов. Вне клетки нет жизни.
• клетки всех организмов сходны (гомологичны) между собой по строению и химическому составу;
• на современном этапе развития живого клетки не могут образовываться из неклеточного вещества. Они появляются только из ранее существовавших клеток путем деления;
• клеточное строение всех ныне живущих организмов - свидетельство единства происхождении;
• в многоклеточном организме согласованное функционирование клеток происходит под контролем интегративных систем: нервной и эндокринной

Строение клетки

Клетка – это  обособленная, наименьшая по размерам структура, которой присуща вся  совокупность свойств жизни. Клетка - это открытая биологическая система, ограниченная полупроницаемой мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, способная к саморегуляции и самовоспроизведению.

На Земле существует две группы организмов: неклеточные  формы жизни (вирусы и фаги); клеточные  формы жизни . Размеры клеток колеблются в широких пределах от 4 мкм до нескольких см в диаметре. Форма клеток зависит от функционального назначения, вязкости протоплазмы, механического воздействия прилегающих клеток и других факторов (Рис.2).

 

Рис.2. Виды клеток: 1 – клетки ресничного эпителия; 2 – цепочка бактерий; 3 – диатомовая водоросль; 4 – бокаловидная клетка; 5 – нервная клетка; 6 - мышечная; 8 - инфузория;9 - эритроциты ;10 – растительные клетки.

Химическая  организация клетки

Химические элементы в клетке

По химическому  составу клетки различных организмов могут заметно отличаться, но элементы, входящие в их состав, одинаковы. Из известных в настоящее время  химических элементов периодической системы Менделеева в клетках обнаружено около 70. У всех живых организмов обязательно встречается 24 химических элемента.

Химические элементы, входящие в состав клеток, делят  на три группы:

• Макроэлементы : О, С, Н, N , Са, К, Mg, Na, Fe, S, P, Cl. На долю этих элементов приходится около 99% всей массы клетки. На долю первых четырех элементов (О, С, Н, N) приходится 98%. Эти элементы способны образовывать прочные ковалентные связи. При этом С, О, N образуют и двойные и одинарные связи, благодаря чему они дают самые разнообразные химические соединения.
• Микроэлементы : Сu, В, Со, Mo, Mn, Ni, Br, Zn, I и другие. На их долю в клетке суммарно приходится менее 1%, концентрация каждого не превышает 0,001%.

Микроэлементы входят в состав гормонов, ферментов, витаминов, обеспечивают нормальное функционирование структур клетки и организма в целом.

Например, Цинк (Zn) участвует в синтезе растительных гормонов, инсулина и других гормонов, медь (Cu) – компонент миоглобина, участвует в кроветворении, входит в состав ферментов, гормонов надпочечников, участвует в тканевом дыхании, йод (I) входит в состав тироксина - гормона щитовидной железы, фтор (F) – входит в состав эмали зубов, кобальт (Со) – входит в состав витамина В_12, регулирующего кроветворную функцию, принимает участие в развитии эритроцитов, в фиксации атома азота растениями.

• Ультрамикроэлементы : уран (U), золото (Au), бериллий (Ве), ртуть (Hg), цезий (Ze), селен (Sе), радий (Ра), и другие. Их концентрация не превышает 0,000001%. Физиологическая роль многих из них не установлена. Большинство этих элементов также необходимы для нормального функционирования организма. Например, дефицит селен а (Sе) приводит к раковым заболеваниям.