Какие свойства живого проявляются на молекулярном уровне
☰
Выделяют следующие уровни организации жизни: молекулярный, клеточный, органно-тканевой (иногда их разделяют), организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Живая природа представляет собой систему, а различные уровни ее организации формируют ее сложное иерархическое строение, когда нижележащие более простые уровни определяют свойства вышележащих.
Так сложные органические молекулы входят в состав клеток и определяют их строение и жизнедеятельность. У многоклеточных организмов клетки организованы в ткани, несколько тканей образуют орган. Многоклеточный организм состоит из систем органов, с другой стороны, организм сам является элементарной единицей популяции и биологического вида. Сообщество представляется собой взаимодействующие популяции разных видов. Сообщество и окружающая среда формируют биогеоценоз (экосистему). Совокупность экосистем планеты Земля образует ее биосферу.
На каждом уровне возникают новые свойства живого, отсутствующие на нижележащем уровне, выделяются свои элементарные явления и элементарные единицы. При этом во многом уровни отражают ход эволюционного процесса.
Выделение уровней удобно для изучения жизни как сложного природного явления.
Рассмотрим подробнее каждый уровень организации жизни.
Молекулярный уровень
Хотя молекулы состоят из атомов, отличие живой материи от неживой начинает проявляться только на уровне молекул. Только в состав живых организмов входит большое количество сложных органических веществ – биополимеров (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот). Однако молекулярный уровень организации живого включает и неорганические молекулы, входящие в клетки и играющие важную роль в их жизнедеятельности.
Функционирование биологических молекул лежит в основе живой системы. На молекулярном уровне жизни проявляется обмен веществ и превращение энергии как химические реакции, передача и изменение наследственной информации (редупликация и мутации), а также ряд других клеточных процессов. Иногда молекулярный уровень называют молекулярно-генетическим.
Клеточный уровень жизни
Именно клетка является структурной и функциональной единицей живого. Вне клетки жизни нет. Даже вирусы могут проявлять свойства живого, лишь оказавшись в клетке хозяина. Биополимеры в полной мере проявляют свою реакционную способность будучи организованы в клетку, которую можно рассматривать как сложную систему взаимосвязанных в первую очередь различными химическими реакциями молекул.
На этом клеточном уровне проявляется феномен жизни, сопрягаются механизмы передачи генетической информации и превращения веществ и энергии.
Органно-тканевой
Ткани есть только у многоклеточных организмов. Ткань представляет собой совокупность сходных по строению и функциям клеток.
Ткани образуются в процессе онтогенеза путем дифференцировки клеток имеющих одну и ту же генетическую информацию. На этом уровне происходит специализация клеток.
У растений и животных выделяют разные типы тканей. Так у растений это меристема, защитная, основная и проводящая ткани. У животных — эпителиальная, соединительная, мышечная и нервная. Ткани могут включать перечень подтканей.
Орган обычно состоит из нескольких тканей, объединенных между собой в структурно-функциональное единство.
Органы формируют системы органов, каждая из которых отвечает за важную для организма функцию.
Органный уровень у одноклеточных организмов представлен различными органеллами клетки, выполняющими функции переваривания, выделения, дыхания и др.
Организменный уровень организации живого
Наряду с клеточным на организменном (или онтогенетическом) уровне выделяются обособленной структурные единицы. Ткани и органы не могут жить независимо, организмы и клетки (если это одноклеточный организм) могут.
Многоклеточные организмы состоят из систем органов.
На организменном уровне проявляются такие явления жизни как размножение, онтогенез, обмен веществ, раздражимость, нервно-гуморальная регуляция, гомеостаз. Другими словами, его элементарные явления составляют закономерные изменения организма в индивидуальном развитии. Элементарной единицей является особь.
Популяционно-видовой
Организмы одного вида, объединенные общим местообитанием, формируют популяцию. Вид обычно состоит из множества популяций.
Популяции имеют общий генофонд. В пределах вида они могут обмениваться генами, т. е. являются генетически открытыми системами.
В популяциях происходят элементарные эволюционные явления, приводящие в конечном итоге к видообразованию. Живая природа может эволюционировать только в надорганизменных уровнях.
На этом уровне возникает потенциальное бессмертие живого.
Биогеоценотический уровень
Биогеоценоз представляет собой взаимодействующую совокупность организмов разных видов с различными факторами среды их обитания. Элементарные явления представлены вещественно-энергетическими круговоротами, обеспечиваемыми в первую очередь живыми организмами.
Роль биогеоценотического уровня состоит в образовании устойчивых сообществ организмов разных видов, приспособленных к совместному проживанию в определенной среде обитания.
Биосфера
Биосферный уровень организации жизни — это система высшего порядка жизни на Земле. Биосфера охватывает все проявления жизни на планете. На этом уровне происходит глобальный круговорот веществ и поток энергии (охватывающий все биогеоценозы).
ВИДЕОУРОК
Биологическая система
– целостная система компонентов, выполняющих определенную функцию в живых системах. К биологическим системам относятся сложные системы разного уровня организации: биологические макромолекулы, субклеточные органеллы, клетки, органы, организмы, популяции.
Признаки биологических систем
– критерии, отличающие биологические системы от объектов неживой природы:
1. Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.
2. Обмен веществ. К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада (ассимиляция и диссимиляция – см. дальше), в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ.
Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма и как следствие – постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
3. Самовоспроизведение (репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.
4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.
5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом) и историческим развитием (филогенезом). Филогенез всего органического мира называют эволюцией.
На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие часто сопровождается ростом – увеличением линейных размеров и массы всей особи и ее отдельных органов за счет увеличения размеров и количества клеток.
Историческое развитие сопровождается образование новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов на Земле.
7. Раздражимость – это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить.
Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы) или роста (тропизмы).
8. Дискретность (от лат. discretus – разделенный). Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Так, любая особь состоит из отдельных клеток с их особыми свойствами, а в клетках также дискретно представлены органоиды и другие внутриклеточные образования.
Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления системы путем замены износившихся структурных элементов без прекращения функционирования всей системы в целом.
9. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.
10. Ритмичность – свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д.
Ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов через определенные равные промежутки времени. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и многие другие. Ритмичность направлена на согласование функций организма с периодически меняющимися условиями жизни.
11. Энергозависимость. Биологические системы являются «открытыми» для поступления энергии. Под «открытыми» понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают из окружающей среды энергия и вещества в виде пищи. В большинстве случаев организмы используют энергию Солнца: одни непосредственно – этофотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии), другие опосредованно, в виде органических веществ потребляемой пищи, – это гетеротрофы (животные, грибы и бактерии).
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 1.
1! Из клеток состоят:
а) растения
б) грибы
в) люди
г) горные породы
2! Питание – это поступление в организм:
а) воды
б) любых веществ
в) веществ, необходимых для роста
г) веществ, необходимых для жизни
3. Ядовитые, ненужные и лишние вещества организмы удаляют с помощью:
а) дыхания
б) выделения
в) питания
г) движения
4! В течение всей жизни растут:
а) люди
б) животные
в) грибы
г) растения
5! Найдите верные утверждения:
а) бактерии состоят из одной клетки
б) животные растут всю жизнь
в) животные двигаются всю жизнь
г) растения выделяют кислород
6! О развитии можно говорить, если:
а) семя превратилось в растение
б) щенок вырос в собаку
в) листья повернулись к свету
г) маленькое дерево стало большим
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 2.
1! Внутри много маленьких клеток у:
а) кошки
б) рябины
в) змеи
г) телевизора
2! Благодаря пище живые организмы получают:
а) энергию для жизни
б) вещества для «строительства» тела
в) вещества для «ремонта» тела
г) только вещества, необходимые для роста
3!* Ответные действия называют:
а) дыханием
б) реакцией
в) движением
г) раздражимостью
4! Найдите верные утверждения:
а) все живые организмы состоят из клеток
б) растения питаются готовыми органическими веществами
в) все живые организмы размножаются
г) основной источник кислорода на Земле – растения
5. Животные больше двигаются чем растения потому, что:
а) им нужно больше пищи
б) им нужно больше энергии
в) они должны свою пищу поймать или найти
г) они состоят из клеток и размножаются
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 3.
1! Из невидимых глазом клеток построены:
а) Луна
б) ваши родители
в) кочан капусты
г) деревянная скамейка
2!* Живые организмы получают энергию благодаря:
а) питанию
б) движению
в) дыханию
г) выделению
3! Двигаться могут:
а) микробы
б) растения
в) животные
г) только листья растений
4! Найдите ошибочные утверждения:
а) бактерии состоят из одной клетки
б) животные растут всю жизнь
в) животные двигаются все время
г) растения выделяют кислород
5! Выделение помогает организму избавиться от:
а) лишних питательных веществ
б) ядовитых веществ
в) непереваренных веществ
г) лишней энергии
6. Найдите верные утверждения:
а) если двигается, то живое
б) дышат только животные
в) к выделению отходов способны только животные
г) если размножается, то живое
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 4.
1! Из клеток состоят:
а) горные породы
б) растения
в) люди
г) грибы
2! Питание – это поступление в организм:
а) веществ, необходимых для жизни
б) веществ, необходимых для роста
в) любых веществ
г) воды
3. Ядовитые, ненужные и лишние вещества организмы удаляют с помощью:
а) выделения
б) дыхания
в) питания
г) движения
4! В течение всей жизни растут:
а) грибы
б) животные
в) люди
г) деревья
5! Найдите верные утверждения:
а) бактерии состоят из одной клетки
б) растения выделяют кислород
в) дышат только грибы
г) животные растут всю жизнь
6! О развитии можно говорить, если:
а) маленькое дерево стало большим
б) семя превратилось в растение
в) листья повернулись к свету
г) щенок вырос в собаку
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 5.
1! Внутри много маленьких клеток у:
а) окуня
б) рябины
в) телевизора
г) змеи
2! Благодаря пище живые организмы получают:
а) только вещества, необходимые для роста
б) энергию для жизни
в) вещества для «ремонта» тела
г) вещества для «строительства» тела
3!* Ответные действия называют:
а) реакцией
б) движением
в) раздражимостью
г) дыханием
4! Найдите верные утверждения:
а) растения питаются готовыми органическими веществами
б) все живые организмы размножаются
в) все живые организмы состоят из клеток
г) основной источник кислорода на Земле – растения
5. Животные больше двигаются чем растения потому, что:
а) им нужно больше пищи
б) они должны свою пищу поймать или найти
в) они состоят из клеток и размножаются
г) им нужно больше энергии
Тест № 1 по теме: «Основные свойства живого»
Вариант 6.
1! Из невидимых глазом клеток построены:
а) ваши родители
б) Луна
в) клубень картофеля
г) волк
2!* Живые организмы получают энергию благодаря:
а) питанию
б) дыханию
в) движению
г) выделению
3! Двигаться могут:
а) растения
б) только листья растений
в) насекомые
г) бактерии
4! Найдите ошибочные утверждения:
а) животные растут всю жизнь
б) бактерии состоят из одной клетки
в) растения выделяют кислород
г) вирусы имеют клеточное строение
5! Выделение помогает организму избавиться от:
а) непереваренных веществ
б) лишней энергии
в) лишних питательных веществ
г) ядовитых веществ
6. Найдите верные утверждения:
а) клетки растений имеют ядро
б) дышат только животные
в) к выделению отходов способны только животные
г) грибы способны активно передвигаться
Ответы:
вариант | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
в-1 | а, б, в | в, г | б | в, г | а, г | а, б |
в-2 | а, б, в | а, б, в | б, г | а, в, г | в | |
в-3 | б, в, г | а, в | а, б, в | б, в | б, в | г |
в-4 | б, в, г | а, б | а | а, г | а, б | б, г |
в-5 | а, б, г | б, в, г | а, в | б, в, г | б | |
в-6 | а, в, г | а, б | а, в, г | а, г | а, г | а |
Молекулярный уровень называют также уровнем биополимеров, его изучает наука — молекулярная биология.
Молекулярный уровень можно назвать начальным, наиболее глубинным уровнем организации живого. На этом уровне проявляются процессы обмена веществ и энергии, передача наследственной информации. Только изучив молекулярный уровень, можно разобраться, как протекали процессы зарождения и эволюции жизни на планете Земля; можно понять, каковы молекулярные основы наследственности и процессов обмена веществ в живом организме.
Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и неживые (к самым распространённым в живой природе элементам следует отнести углерод, кислород, водород и азот).
Основой всех органических соединений служит углерод. Он может вступать в связь со многими атомами и их группами, образуя цепочки, различные по химическому составу, строению, длине и форме, образуя сложные химические соединения, различающиеся по строению и функциям. Эти органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов, получили название биологические полимеры, или биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.
Молекула биополимера может состоять из многих тысяч соединённых между собой мономеров, которые могут быть одинаковыми или разными (свойства биополимеров зависят от строения их мономеров).
Основным субстратом жизни (от лат. субстратум — «подстилка, подкладка») являются два класса биополимеров — белки и нуклеиновые кислоты.
Все биополимеры построены по одному плану у всех живых организмов:
- молекулы белков являются основными структурными элементами клеток и регулируют протекающие в них процессы;
- нуклеиновые кислоты участвуют в передаче генетической (наследственной) информации от клетки к клетке, от организма к организму (генетический код универсален, т. е. одинаков для всех живых организмов);
- полисахариды представляют собой важнейшие источники энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов (именно на молекулярном уровне происходит превращение всех видов энергии и обмен веществ в клетке, и механизмы этих процессов также универсальны для всех живых организмов).
В то же время оказалось, что разнообразные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов, обусловлены различными сочетаниями всего лишь нескольких типов мономеров, образующих множество вариантов длинных полимерных цепей. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.
Специфические свойства биополимеров проявляются только в живой клетке (в изолированном виде молекулы биополимеров являются неживыми).
Более подробно о биополимерах см. Раздел «Химический состав клетки».
Преемственность между молекулярным и следующим за ним клеточным уровнем обеспечивается тем, что биологические молекулы — это тот материал, из которого образуются надмолекулярные (клеточные) структуры.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.