Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
23 Рис 1.5 Мікоплазма (мікрофотографія). Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.6 Ціанобактерії (мікрофотографія). пластиди. Серед еукаріотів є як одноклітинні, так і багатоклітинні організми. Жива клітина це впорядкована система, для якої є характерним отримувати ззовні, перетворювати і частково виділяти різні хімічні сполуки. Отже, кліти- ни це відкриті системи; робота їх відбувається за принципом саморегуляції, яка генетично запро- грамована. Збереження генетичної інформації та її наступна реалізація в довгій низці поколінь здійснюєть- ся системою нуклеїнових кислот. У цілому це забез- печує фундаментальну властивість життя історич- ну неперервність біологічних процесів. Однак на молекулярному рівні виникають відмінності що відмежовують живе від неживого. Живі організми мають властиві лише їм системи хімічних зв'язків, взаємодій між молекулами ковалентні, іонні, водні зв'язки, гідрофобні взаємодії. Молекули живих організмів здатні утворювати полімерні комплекси. Здатність утворювати ці комплекси, їх наступні пере творення, а також зруйнування, забезпечує найважли вішу властивість живої системи обмін речовин, зміст якого складають синхронізовані процеси асимі ляції (процеси синтезу анаболізм) і дисиміляції (про цеси розпаду, катаболізм). Під час асиміляції ство рюються або оновлюються різні морфологічні струк тури, процес відбувається з поглинанням енергії й на зивається пластичним обміном. Під час дисиміляції відбувається розщеплення складних хімічних сполук до відносно простих, що супроводжується виділенням енергії. Цей процес називають енергетичним об міном. Пластичний та енергетичний обміни тісно по в'язані, складають єдиний метаболічний цикл, який відбувається у клітині (рис. 1.7). Отримані ззовні речовини в процесі пластичного обміну організми перетворюють у власні, які замі нюють старі елементи й одночасно видаляють у зовнішнє середовище сполуки, які утворилися в про цесі дисиміляції, а також речовини, не використані організмом. Тому живий організм є відкритою системою відбувається неперервна взаємодія з довкіл лям, під час якої здійснюється обмін із середовищем енергією, матерією (речовиною) та інформацією. Рис. 1.7 Ганс Кребс (Н. Krebs) ( 1 9 0 0 1 9 8 1 ) відкрив цикл трикарбонови) кислот. • обмін речовин та енергії • здатність протистояти наростанню ентропії • подразливість • самооновлення • саморегуляція • самовідтворення • спадковість і мінливість • ріст та розвиток • дискретність і цілісність До складу живих організмів на атомному рівні вхо- дять ті самі хімічні елементи, що й до неживої матерії. 24 1.1.3 Основні властивості життя 1.1. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи Здатність протистояти наростанню ен- тропії. Небіологічні системи здатні виконувати роботу за рахунок теплової енергії. Живі системи функ- ціонують в ізотермічному режимі, атому для здійснення процесів життєдіяльності використову- ють хімічну енергію і підпорядковуються законам термодинаміки. Аутотрофні організми використову- ють енергію сонячного світла або розщеплення хімічних сполук (залізо та сіркобактерії). Гетеро- трофні організми отримують енергію в результаті поєднання метаболізму з процесом розпаду склад- них органічних молекул, які надходять ззовні. Згідно з першим законом термодинаміки, внут- рішня енергія разом з її оточенням залишається ста- лою. Забудь яких змін системи внутрішня енергія не витрачається і не набувається. Ця енергія може переходити від однієї частини до іншої або перетво- рюватися з однієї форми в іншу. За другим законом термодинаміки, ентропія при самовільних процесах зростає. Ентропія є мірою не- впорядкованості, хаотичності системи і досягає максимального значення, коли система переходить достану справжньої рівноваги. У живих системах постійно відбуваються біохімічні реакції, що супроводжується виділенням тепла. Такі процеси проходять за участю ферментів самовільно і характеризуються зменшенням вільної енергії. Енергетичні процеси в клітині здійснюють- ся впорядковано, а не хаотично. За таких умов не може бути справжньої, сталої рівноваги. Тому кліти- ни як живі організми здатні протистояти зростанню ентропії. Високовпорядковані системи (живі органі- зми) легко руйнуються; якщо на підтримання їх відносної сталості не витрачається енергія, вони на- бувають невпорядкованості (ентропії). Самооновлення. В основі самооновлення лежать реакції синтезу, тобто утворення нових молекул і структур на основі інформації, закладеної в послідовності нуклеотидів ДНК (рис. 1.8). Саморегуляція. Саморегуляція, або ауторегуля ція це здатність організмів підтримувати віднос- ну сталість хімічного складу та перебігу фізіологіч- них процесів гомеостаз. Саморегуляція відбу- вається за участі нервової, імунної та ендокринної систем. Сигналами для корекції гомеостазу є над- лишок або нестача тих чи інших речовин, виведен- ня системи з рівноваги тощо. Рис 1.8 Схема будови ДНК (фрагмент. Важливим проявом життя є подразливість здатність живих організмів реагувати на певні впли- ви довкілля. Характер подразників, а, отже, й аде- кватні реакції відповіді організмів на них різноманітні. Вони мають свої особливості у представників тва- ринного і рослинного світу. Поширеною формою про- яву подразливості є рухи активні чи пасивні. У світі тварин рухи виявляються у вигляді таксисів. Це певне позитивне чи негативне переміщення відносно подразника (фототаксис, термотаксис, хемотаксис Рослинам притаманні тропізми, настії, нутації. Рухи віддзеркалюють різні шляхи еволюційних перебудов і адаптацій організмів до середовища існування. Однією зобов язкових властивостей життя є здатність до самовідтворення (розмноження). У процесі розмноження організми дають потомство, тобто виникають організми, схожі з батьківськими формами. Таким чином забезпечується спадкоєм- ність між батьками і нащадками. У сучасних умо- вах організми можуть виникати тільки з матеріаль- них форм (клітин) шляхом розмноження. Самовідтворення відбувається на всіх рівнях організації живої матерії. Завдяки репродукції не тільки цілі організми, але і клітини після поділу схожі на своїх попередників. 25 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Самовідтворення забезпечується ДНК. Крім ДНК, жодна інша структура клітини, зокрема і всі білки, такою властивістю не наділена. Здатність молекул ДНК до саморепродукції має винятковий зв'язок з проце- сом поділу клітин і розмноженням організмів. Розмноження є необхідною умовою існування будь якого виду рослин і тварин. Життєвим віддзеркаленням космічних процесів є ево- люційно сформована біологічна ритмічність уні- версальна особливість життя. Біоритми це кількісні й якісні зміни біологічних процесів, які відбуваються на різних рівнях організації. їх виникнення зумовлено планетарними взаємодіями, обертанням Землі навко- ло своєї осі й навколо Сонця. Найпоширенішим є цир кадіанний (білядобовий) хроноритм, що випливає з фо- топеріоду зміни довжини дня і ночі. Рослинний і тва- ринний світ реагує на фотоперіод фотоперіодизмом складним комплексом змін життєдіяльності. Фотопе- ріодизм є суттєвим компонентом таких елементів вищої нервової діяльності, як інстинкти. Ошажвішш і мінливість. Молекули ДНК ма- ють виняткову стійкість. З цією властивістю ДНК повязана її участь в явищі спадковості процесі відтворення організмами в ряду наступних поколінь схожих ознак і властивостей. Спадковість це здатність організму передавати свої ознаки, властивості й особливості розвитку від покоління до покоління. При розмноженні ознаки і влас- тивості передаються досить стійко. Проте існують і деякі відмінності. Спадковість цене просто відтво- рення, копіювання. Вона завжди супроводжується мінливістю. При розмноженні організмів виникають нові властивості, це явище отримало назву мінливість. Мінливість це здатність організмів набувати нових ознак і властивостей. При цьому виникає різноманітність, поява нових форм життя, нових видів організмів. Спадковість і мінливість невід'ємні явища живої матерії. Вони проявляються в процесі розмножен- ня організмів. Ріст і розвиток. Ріст зв'язаний з обміном ре- човин. Якщо переважає анаболізм відбувається ріст живої системи. Ріст здійснюється на будь яких рівнях біологіч- ної організації: ріст клітин, ріст органів, ріст організмів, ріст популяцій тощо. Ріст супроводжується збільшен- ням маси органа, організму або зростанням числа особин у популяції тощо. Властивістю живої матерії є здатність до роз витку незворотної закономірної зміни біологічної системи. В результаті розвитку зазнає змін склад або структура системи, формується нова якість. Роз виток складових організму носить назву онтогенез або індивідуальний розвиток. Розвиток живої природи (еволюція) з утворенням нових видів, про гресивним ускладненням форм життя носить назву філогенез, або історичний розвиток. Дискретність і цілісність. Дискретність (від лат discretus переривчастість, розділення) озна чає, що біологічна система (популяція, організм, орган, клітина) складається з відособлених або об межених у просторі складових (види, особини, тка нини, органели). Проте кожна з частин тісно повязана з іншою, вони взаємодіють між собою, утво рюють структурно функціональну єдність, структур ну впорядкованість щодо виконуваної функції. Дискретність забезпечує сталість перебігу біоло гічних процесів у часі і просторі. Взаємодія складовіи біологічної системи відбувається не ізольовано, а пе ребуває у зв'язку з оточуючим середовищем, вона відповідно реагує на стимули, які надходять зовні. За таких умов біологічна система розглядаєть ся як цілісна система. Її складові утворюють ціліс ність, єдине ціле. Про це свідчать однотипність реакцій різних видів на дію подразника, взаємопе реходи біохімічних реакцій, тотожність фізіологіч них функцій тощо. Життя багатолике. Всі його властивості об'єднує єдиний процес розвитку, який охоплює неживу природу, живу речовину і людське суспільство. 26 • стійка здатність до передаван- ня інформації та її реалізації • адаптація до умов навколиш- нього середовища • поступальний розвиток Численні знахідки вчених у вигляді скам'янінь, відбитків у породах та інших об'єктивних доказів вказують нате, що життя на Землі існує не менше 1.1.4 Стратегія життя 1.1. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи Рис. 1.9 Фотосинтез відбувається у зеленому листку за участі соняч- ного світла. 4 млрд. років. Упродовж 3 млрд. років живі організ- ми мешкали виключно у водному середовищі. До моменту виходу на сушу життя уже було представ- лене різновидними формами прокаріотами, нижчи- ми і вищими рослинами, найпростішими і багатоклі- тинними еукаріотами, зокрема ранніми представ- никами хребетних тварин. За вказаний період, що складає близько 6/7 всього часу існування життя на нашій планеті, відбулись еволюційні перетворен .ня, визначивши обличчя сучасного органічного світу. Знайомство з найважливішими із них допо- магає зрозуміти стратегію життя. Першими з'явилися прокаріотичні організми, які панували на Землі більше 2 млрд. років. З їх еволю- цією повязана поява фотосинтезу й організмів еукаріотичного типу. Фотосинтез відкрив доступ до сонячної енергії, яка за допомогою цього механізму запа- сається в органічних речовинах і потім викорис- товується в процесах життєдіяльності. Широке розповсюдження фотосинтезуючих аутотрофних організмів, насамперед зелених рослин, призвело до утворення і накопичення в атмосфері Землі кис- ню. Це сприяло виникненню в еволюції механіз- му дихання, який відрізняється від безкисневого (анаеробного) енергозабезпечення життєвих про- цесів набагато більшою ефективністю (приблиз- ноу разів) (рис. 1.9). Еукаріоти з'явилися серед жителів планети близько 1,5 млрд. років тому. Відрізняючись від про- каріотів складною організацією, вони використовують у своїй життєдіяльності більший об'єм спадкової інформації. Спочатку еукаріоти мали одноклітинну будову, згодом вони стали основою для виникнення багатоклітинних організмів, які з'явилися на Землі близько 600 млн. років тому і зумовили широкий різновид живих істот. Понад 500 млн. років тому серед багатоклітинних з'являються хордові тварини (рис. 1.10). У процесі подальшої еволюції саме в цій групі виникають хре- бетні тварини (рис. 1.11). Приблизно 200 250 млн. років тому з'являються ссавці, характерною рисою яких стає особливий тип турботи про нащадків годування народжених малят молоком. Саме через ссавців, зокрема через підряд приматів, пройшла лінія еволюції, що веде до людини (близько двох мільйонів років тому. Отже, еволюція життя на Землі характеризується певними загальними рисами: по перше, виникнув- ши у вигляді найпростіших одноклітинних форм, життя у своєму розвитку закономірно породжувало істоти із все складнішим типом організації тіла, дос- коналішими функціями, підвищеним ступенем неза- лежності від прямих впливів навколишнього сере Рис. 1.10 Хордові. Ланцетник (Amphioxus lanceolatum). 27 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.11 Хребетні. Собака (Canis familiaris). довища; подруге, будь які варіанти живих форм, що виникали на планеті, зберігаються так довго, як довго існують геохімічні, кліматичні, біогеографічні умови, що задовольняють певною мірою їх життєві потреби; по третє, у своєму розвитку окремі групи організмів проходять стадії підйому і спаду. Ряд послідовних великих еволюційних змін, таких як еукаріотичний тип організації клітин, бага токлітинність, виникнення хордових, хребетних і, нарешті, ссавців (що зумовило в кінцевому резуль- таті появу людини), складає в історичному розвит- ку життя лінію необмеженого прогресу. Головні стратегічні принципи еволюції життя: 1) еволюція має пристосувальний характеру процесі історичного розвитку закономірно підвищується рівень організації живих форм, що відповідає прогресивному характеру еволюції; 3) чим вищий рівень морфофізіологічної органі- зації, тим більша кількість енергії потрібна для її підтримання; тому ще один стратегічний принцип еволюції полягає в освоєнні нових джерел і ефек- тивних механізмів енергозабезпечення життєвих процесів; 4) для утворення високоорганізованих форм не- обхідний більший об'єм спадкової інформації; зако- номірне зростання об'єму генетичної інформації, що використовується в життєдіяльності. 28 Жива природа є складно організованою системою складових, об'єднаних загальною стратегією життя. Внаслідок цього в науці сформувалася уява про рівні організації живої матерії. Рівень організації визначається за двома принципами часовим і те риторіальним. Цепов язано з тим, що різноманітні біологічні процеси потребують специфічних умов, тому здійснюються в певних межах, відрізняються за швидкістю перебігу. При об'єднанні територіаль ного і часового параметрів формується той чи інший рівень організації у вигляді порівняно однорідного біо логічного комплексу. Він характеризується двома основними показниками: елементарною структурною одиницею й елементарним біологічним яви- щем. Виділяють такі рівні живої матерії (рис. 1.12): Молекулярно генетичний рівень. Елементарні структури коди спадкової інформації, тобто по- слідовності триплетів нуклеотидів молекули ДНК. Елементарні явища відтворення цих кодів за принципом матричного синтезу або конваріантної редуплікації (подвоєння) молекули ДНК Ме- ханізм редуплікації зумовлює копіювання генів. Це дозволяє передавати генетичну інформацію в низці поколінь клітин і забезпечує механізми спадковості. Випадки помилок синтезу змінюють кодони, що одразу ж відтворюється в молекулах копіях. Редуп- лікація стає конваріантною, тобто такою, що при- зводить до змін (явище генних мутацій). Перенесення інформації в оформлену структуру білкову молекулу забезпечується набором спе- ціалізованих внутрішньоклітинних органел у про- цесі біосинтезу білка. Екологічні проблеми рівня: ріст мутагенних впливів і збільшення частки мутацій у генофондах. Клітинний рівень. Елементарні структури клітини. Елементарні явища життєві цикли клітин. • елементарні структури рівнів та основні біологічні явища, що їх характеризують • значення уявлень про рівні орга нізації живого для медицини 1.1.5 Еволюційно обумовлені структурні рівні органі зації життя 1.1. Загальна характеристика життя. Рівні організації живого. Людина в системі природи Рис. 1.12 Рівні організації живої матерії. 29 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Клітина перетворює речовини й енергію, що надхо- дять до організму, у форму, придатну для викорис- тання організмом, і таким чином забезпечує про- цеси життєдіяльності. Кожна клітина відносно автономна, самостійна функціонуюча одиниця. У складі цілісного організму клітини об'єднуються у тканини і системи органів. Між ними налагодже- на система фізіолого біохімічних і структурно функціональних зв'язків, яка є характерною для тка- нин даного організму. Екологічні проблеми рівня: ріст клітинної пато- логії внаслідок забруднення середовища, порушен- ня відтворення клітин. Організмовий рівень. Елементарні структури організми та системи органів, з яких вони склада- ються. Елементарні явища комплекс фізіологіч- них процесів, що забезпечують життєдіяльність. На даному рівні здійснюється механізм адаптації і фор- мується певна поведінка живих істот у конкретних умовах середовища. Спадкова інформація, закодо- вана в генотипі, реалізується певними фенотипни ми проявами. Керуюча система генотип. Екологічні проблеми рівня: зниження адаптацій- них можливостей організмів, розвиток граничних станів у людини (стан між здоров'ям і хворобою. Популяційно видовий рівень. Елементарні структури популяції. Елементарні явища видо- утворення на підставі природного добору. Популяція основна одиниця еволюції. Найважливіший еволю- ційно генетичний показник популяції її генофонд. Це керуюча підсистема рівня. Генофонд визначає еволюційні перспективи та екологічну пластичність популяцій. Є низка чинників, що викликають зміну генофонду популяцій: мутації, комбінативна мінливість, популяційні хвилі, ізоляція. Реалізація змін відбувається шляхом природного добору. Екологічні проблеми рівня: погіршення екологіч- них показників популяції (чисельність, щільність, віко- вий склад тощо). Біосферно біогеоценотичний рівень. Елемен- тарні структури біогеоценози. Елементарні яви- ща динамічний взаємозв'язок біогеоценозів у масштабах біосфери. Керуюча підсистема генопласт (термін увів український академік М. О. Голубець). Це сукупність генофондів і генотипів адаптованих одна до одної популяцій в оточуючому їх середо- вищі. Весь комплекс біогеоценозів утворює живу |