Страница 2 из 84
2. Клеточный (главы 2—3). Клетка — элементарная единица живого, она обладает всеми характерными признаками живых систем.
3. Тканевой. В многоклеточных организмах группы однофункциональных клеток объединены в ткани (например, покровные, костные, мышечные).
Введение
4. Органный. Каждый орган состоит, как правило, из нескольких разнофункциональных тканей.
5
5. Организменный (главы 4—8). Специализированные для выполнения различных функций органы и ткани объединены в целостную систему организма.
6. Популяционно-видовой (главы 9—13). Организмы, имеющие сходные в основных чертах морфологические и биологические признаки, составляют более сложный надорганизменный уровень организации жизни — вид. Особи одного вида, объединенные территориально, представляют собой общность, называемую популяцией.
7. Экосистемный (глава 14). Популяции разных видов, населяющие определенную территорию, тесно взаимодействуют между собой. В совокупности с окружающей неживой природой они составляют экосистему.
8. Биосферный (глава 15) — самый сложный общепланетарный уровень организации жизни, объединяющий все экосистемы. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, тесно связанные с жизнедеятельностью всех организмов планеты.
Иерархичность живой природы. Наличие уровней организации позволяет выделить в живых системах соподчиненность (иерархию). Биохимические процессы (молекулярный уровень) обеспечивают жизнедеятельность клеток. Клетки организованы в ткани. Каждая ткань выполняет свою задачу в целостной системе организма. Жизнеспособность отдельных особей обеспечивает благополучие вида, занимающего свое место в экосистемах планеты.
На каждом последующем уровне происходит усложнение биосистем и появление у них новых качеств. В курсе общей биологии мы изучим закономерности, характерные для всех уровней организации жизни.
Методы исследования в биологии. Для изучения живой природы биологи используют следующие основные методы:
1. Наблюдение позволяет выявить и описать биологические объекты и явления.
2. Сравнение выявляет сходства и различия в строении и функционировании организмов и их частей. На принципах сравнения построена систематизация живых существ.
3. Экспериментальный метод позволяет целенаправленно создавать условия, в которых свойства объекта исследования выявляются в интересующем аспекте. Эксперимент дает возможность эффективно вскрывать сущность биологических явлений.
4. Моделирование позволяет предсказать поведение биологических систем в тех или иных условиях.
Важность биологических знаний. Изучать окружающий мир важно потому, что он во всех проявлениях — в движении, звуке, шуме ветра, всплеске волн, в солнечных бликах на утренней росе и крике перелетных птиц — есть творение Божие. Жизнь — это и радость бытия, и прекрасные чувства, и творческие порывы, и стремление к свету истины. Все это невозможно без Бога. Жизнь — это гораздо больше, чем вещество, чем материя, это — явление духовного мира. В контексте Сотворения удивительный мир животных и растений перестает казаться случайным порождением неживой материи, возводя человеческий разум к познанию Творца.
Изучение живых организмов и их взаимосвязей помогает решить множество прикладных задач: выведение новых сортов растений и пород животных, предупреждение и лечение различных заболеваний, а также сохранение и восстановление красоты природы.
Молекулярный
и клеточный уровни
Раздел I
Клетка - единица живого
Глава 1. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ
Организмы животных и растений получают все необходимые элементы из окружающей природы. В клетках содержится около 90 химических элементов, 24 из них имеют известное ученым предназначение. Выполняют ли остальные элементы какую-либо функцию или просто попадают в организмы вместе с пищей и воздухом, пока не установлено. В зависимости от содержания в организмах элементы делят на три группы.
В п е р в у ю г р у п п у входят О (65—70 %), C (15—18 %), Н (8—10 %) и N (1,5—3 %). Эти элементы составляют около 97 % массы клетки, поэтому их называют макроэлементами.
В т о р у ю г р у п п у составляют Р, S, Cl и металлы: К, Са, Mg, Na и Fe. На их долю приходится около 3 % вещества клетки: Mg входит в состав хлорофилла, от содержания Ca зависит свертываемость крови, Ca и P участвуют в формировании костной ткани, Fe является необходимой составляющей гемоглобина—белка, участвующего в переносе кислорода к тканям, Na, K и Cl обеспечивают транспорт веществ через клеточную мембрану.
Основной вклад в построение молекул жизненно важных соединений вносят макроэлементы вместе с S и P, поэтому их называют биогенными, или биоэлементами. Макроэлементы вместе с S входят в состав белков, а вместе с P — в состав нуклеиновых кислот; О, Н, С образуют липиды (с S и P) и углеводы.
Т р е т ь я г р у п п а объединяет остальные элементы. Их не более 0,1 % вещества клетки, однако это не значит, что без них организм может легко обойтись. Например, I (0,0001 %) входит в состав гормона щитовидной железы тироксина, регулирующего рост и интенсивность обмена веществ, Zn (0,003 %) — в состав более чем ста различных ферментов. Содержание Cu в организмах животных — не более 0,0002 %, но недостаток меди в почве и, как следствие, в растениях приводит к массовым заболеваниям сельскохозяйственных животных. Соединения бора необходимы для нормального развития растений, а селен входит в состав фермента глютатионпероксидазы, предохраняющего клетки от разрушения. Элементы третьей группы подразделяют на микро- (10-12—10-3 %) и ультрамикроэлементы (не более 1012 %). К последним относят Ag, Au, Hg, Be, U, As и др. Биологическая роль многих из них не выявлена.
Живые существа обладают способностью избирательно накапливать в себе вещества, поглощаемые из окружающей среды. Так, кислорода в почве содержится 49 %, а в растениях — 70 %; кремния, наоборот, в почве — 33 %, а в растениях — всего
0,15 %. В почве и водоемах очень мало ионов К и много ионов Na, в клетке же, наоборот, много ионов К и мало ионов Na. Пока клетка жива, она стойко поддерживает свой химический состав, отличный от состава окружающей среды.
Все химические соединения образуют два больших класса: неорганические и органические. Органические соединения содержат углерод, его наличие является их отличительным признаком. Из всего многообразия органических соединений особое биологическое значение имеют нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды (жиры). В состав типичной животной клетки эти вещества входят в следующих примерных соотношениях:
белки 15—18% липиды 2—5 % полисахариды 2 %
РНК 1,1—6% ДНК 0,25—1%
§ 1. Неорганические вещества
Вода — самое распространенное вещество в живых существах. В многоклеточных организмах вода составляет до 80 % массы. У человека содержание воды в различных органах колеблется от 10 % (в клетках эмали зубов) до 85 % (в клетках головного мозга).
Молекула воды полярна (диполь). Центры ее положительного (у атомов водорода) и отрицательного (у кислорода) зарядов разнесены. Атом кислорода молекулы воды притягивается к атому водорода другой молекулы с образованием так называемой водородной связи. Ее прочность в 5—10 раз меньше прочности ковалентных связей, которыми соединены водород и кислород внутри молекулы. Каждая молекула воды способна связаться с несколькими другими. В результате формируется сложная сеть связанных молекул. Водородные связи не позволяют молекулам
воды независимо двигаться, поэтому вода при обычных на Земле давлени-
Образование водородной связи между молекулами воды
Водородные связи в воде формируют сложную сеть
ях и температурах от 0 °С до 100 °С — жидкость, а не газ, как аналогичные соединения Н2Я и NH3. Значительное сцепление молекул воды между собой и с молекулами других веществ позволяет воде легко перемещаться вверх по сосудам растений и переносить питательные вещества.
Н
О—Н • •
• •
• •
О—Н О—Н • • • • О—Н
Н н Н
л
н
При нагревании воды много энергии расходуется на разрушение водородных связей, и поэтому температура повышается медленно, следовательно, вода обладает высокой теплоемкостью и выполняет функцию терморегулятора. При резких изменениях внешней температуры колебания температуры внутри клеток оказываются менее существенными.