Роль биологии в современном мире практической деятельности людей

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

Направлений использования человеком знаний по биологии очень много, для примера приведем несколько (пойдем от большого к меньшему):

· Знаниезаконов экологии позволяет регулировать деятельность человека в пределах сохранения той экосистемы, в которой он живет и работает (рациональное природопользование);

· Ботаника и генетика позволяют повышать урожайность, бороться с вредителями и выводить новые, нужные и полезные сорта;

· Генетика на данный момент настолько плотно переплелась с медициной, что многие заболевания, которые раньше считались неизлечимыми, изучаются и предупреждаются уже на эмбриональных стадиях развития человека;

· С помощью микробиологии ученые всего мира разрабатывают сыворотки и вакцины против вирусов и самые различные противобактериальные препараты.

Отличия живых структур от неживых. Свойства живого

Биология – наука, изучающая свойства живых систем. Однако определить, что такое живая система, достаточно сложно. Грань между живым и неживым провести не так легко, как кажется. Попробуйте ответить на вопросы, являются ли живыми вирусы, когда они покоятся вне организма хозяина и в них не идет обмен веществ? Могут ли проявлять свойства живого искусственные объекты и машины? А компьютерные программы? Или языки?

Чтобы ответить на эти вопросы, можно попытаться вычленить минимальный набор свойств, характерный для живых систем. Именно поэтому ученые установили несколько критериев, по которым организм можно отнести к живым.

Важнейшими из характерных свойств (критериев)живого являются следующие:

1. Обмен веществом и энергией с окружающей средой. С точки зрения физики все живые системы – открытые, то есть постоянно обмениваются со средой и веществом, и энергией, в отличие от закрытых, полностью изолированных от окружающего мира, и полузакрытых, обменивающихся только энергией, но не веществом. Далее мы увидим, что этот обмен является обязательным условием существования жизни.

2. Живые системы способны к накоплению поступивших из среды веществ и, вследствие этого, росту.

3. Современная биология считает основополагающим свойством живых существ способность к идентичному (или почти идентичному) самовоспроизведению, то есть размножению с сохранением большинства свойств исходного организма.

4. Идентичное самовоспроизведение неразрывно связано с понятием наследственности, то есть передачи потомству признаков и свойств.

5. Однако наследственность не абсолютна – если бы все дочерние организмы в точности копировали родительские, то никакая эволюция была бы невозможна, так как живые организмы никогда бы не изменялись. Это привело бы к тому, что при любом резком изменении условий все они бы погибли. Но жизнь чрезвычайно гибка, и организмы приспосабливаются к широчайшему спектру условий. Это возможно благодаря изменчивости – тому факту, что самовоспроизведение организмов не полностью идентично, в ходе него возникают ошибки и вариации, которые могут быть материалом для отбора. Существует определенное равновесие между наследственностью и изменчивостью.

6. Изменчивость может быть наследственной и ненаследственной. Наследственная изменчивость, то есть появление новых вариаций признаков, которые наследуются и закрепляются в ряду поколений, служит материалом для естественного отбора. Естественный отбор возможен среди любых воспроизводящихся объектов, не обязательно живых, если между ними существует конкуренция за ограниченные ресурсы. Те объекты, которые вследствие изменчивости приобрели неподходящие в данной среде, неблагоприятные признаки, будут отбраковываться, поэтому признаки, которые дают конкурентное преимущество в борьбе, будут встречаться все чаще и чаще у новых объектов. Это и есть естественный отбор – творческий фактор эволюции, благодаря которому возникло все многообразие живых организмов на Земле.

7. Живые организмы активно реагируют на внешние сигналы, проявляя свойство раздражимости.

8. Благодаря своей способности реагировать на изменение внешних условий живые организмы способны к адаптации – приспособлению к новым условиям. Это свойство, в частности, позволяет организмам переживать различные катаклизмы и распространяться на новые территории.

9. Адаптация осуществляется путем саморегуляции, то есть способности к поддержанию постоянства определенных физических и химических параметров в живом организме, в том числе и в меняющихся условиях среды. Например, организм человека поддерживает постоянную температуру, концентрацию в крови глюкозы и многих других веществ.

10. Важным свойством земной жизни является дискретность, то есть прерывистость: она представлена отдельными особями, особи объединены в популяции, популяции – в виды, и т. д., то есть на всех уровнях организации живого существуют отдельные единицы. В фантастическом романе Станислава Лема «Солярис» описан огромный живой океан, покрывающий всю планету. Но на Земле таких форм жизни нет.

Химический состав живого

Живые организмы состоят из огромного числа химических веществ, органических и неорганических, полимерных и низкомолекулярных. В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных.

В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. В результате такого отбора основу всех живых систем составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Их содержание в организме достигает 97, 4%.

Органогены — главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, водород, кислород и азот.

С точки зрения химии естественный отбор элементов-органогенов можно объяснить их способностью образовывать химические связи: с одной стороны, достаточно прочные, то есть, энергоемкие, а с другой, достаточно лабильные, которые легко могли бы поддаваться гемолизу, гетеролизу, циклическому перераспределению.

Органогеном номер один, несомненно, является углерод. Его атомы образуют прочные ковалентные связи между собой или с атомами других элементов. Эти связи могут быть ординарными или кратными, благодаря таким 3 связям углерод способен образовывать сопряженные или кумулированные системы в виде открытых или закрытых цепей, циклов.

В отличие от углерода, элементы-органогены водород и кислород лабильные связи не образуют, но их наличие в органической, в том числе, в биоорганической молекуле определяет ее способность взаимодействовать с биорастворителем-водой. Кроме того, водород и кислород являются носителями окислительно-восстановительных свойств живых систем, они обеспечивают единство окислительно- восстановительных процессов.

Остальные три органогена – азот, фосфор и сера, а также некоторые другие элементы – железо, магний, составляющие активные центры ферментов, как и углерод, способны образовывать лабильные связи. Положительным свойством органогенов является также и то, что они, как правило, образуют легко растворимые в воде соединения и поэтому концентрируются в организме.

Существует несколько классификаций химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В.И.Вернадский в зависимости от среднего содержания в живых организмах разделил элементы на три группы:

1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10^-² %. К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор, калий, железо. Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов.

2. Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10^-² до 10^-¹ ² %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт. Хотя этих элементов содержится в организмах в крайне низких концентрациях (не выше тысячной доли процента), но они также необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это биогенные микроэлементы. Их функции и роль весьма разнообразны. Многие микроэлементы входят в состав ряда ферментов, витаминов, дыхательных пигментов, некоторые влияют на рост, скорость развития, размножение и т. д.

3. Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10- ¹ ² %. К ним относятся ртуть, золото, уран, радий и др.

В.В.Ковальский, исходя из степени значимости химических элементов для жизнедеятельности человека, подразделил их на три группы:

1. Незаменимые элементы. Они постоянно находятся в организме человека, входят в состав его неорганических и органических соединений. Это H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Zn, Fe, Mo, V. Дефицит содержания этих элементов приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организма.

2. Примесные элементы. Эти элементы постоянно находятся в организме человека, но их биологическая роль еще не всегда выяснена или мало изучена. Это Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, As, Ba, Ge, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, Ce, Se.

3. Микропримесные элементы. Они найдены в организме человека, но ни о количественном содержании, ни о биологической роли их нет. Это Sc, Tl, In, La, Sm, Pr, W, Re, Tb и др. Химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов, называют биогенными.

Среди неорганических веществ и компонентов основное место занимает – вода.

Для поддержания ионной силы и рН-среды, при которых протекают процессы жизнедеятельности, необходимы определённые концентрации неорганических ионов. Для поддержания определённой ионной силы и соединения буферной среды необходимо участие однозарядных ионов: аммония(NH4+); натрия(Na+); калия (К+). Катионы не являются взаимозамещёнными, существуют специальные механизмы, поддерживающие необходимый баланс между ними.

Неорганические соединения:

-соли аммония;

-карбонаты;

-сульфаты;

-фосфаты.

Неметаллы:

1. Хлор (основной). В виде анионов участвует в создании солевой среды, иногда входит в состав некоторых органических веществ.

2. Йод и его соединения принимают участие в некоторых процессах жизнедеятельности органических соединений (живых организмов). Йод входит в состав гормонов щитовидной железы (тироксина).

3. Производные селена. Селеноцестеин, входит в состав некоторых ферментов.

4. Кремний – входит в состав хрящей и связок, в виде эфиров ортокремневой кислоты, принимает участие в шивке полисахаридных цепей.

Много соединений в живых организмах представляют собой комплексы: гем – это комплекс железа с плоской молекулой парафина; коболамин.

Магний и кальций – основные металлы, не считая железа, – повсеместно распространены в биосистемах. Концентрация ионов магния имеет важное значение для поддержания целостности и функционирования рибосом, то есть для синтеза белков.

Магний также входит в состав хлорофилла. Ионы кальция принимают участие в клеточных процессах в том числе мышечных сокращений. Нерастворённые соли – участвуют в формировании опорных структур:

-фосфат кальция (в костях);

-карбонат (в раковинах моллюсков).

Ионы металлов 4 периода входят в состав ряда жизненно важных соединений – ферментов. Некоторые белки содержат железо в виде железосерных кластеров. Ионы цинка содержатся в значительном числе ферментов. Марганец входит в состав небольшого числа ферментов, но играет важную роль в биосфере, при фотохимическом восстановлении воды, обеспечивает выделение в атмосферу кислорода и поступление электронов в цепь переноса при фотосинтезе.

Кобальт – входит в состав ферментов в виде – кобаламинов (витамин В 12).

Молибден – необходимый компонент фермента – нитродиназа (который катализует восстановление атмосферного азота до аммиака, в азотфиксирующих бактериях)

Большое число органических веществ входит в состав живых организмов: уксусная кислота; уксусный альдегид; этанол (является продуктами и субстратами биохимических превращений).

Основные группы низкомолекулярных соединений живых организмов:

Аминокислоты – являются составными частями белков

Нуклеамиды – составляющая часть нуклеиновых кислот

Моно и алигосахариды – составляющие структурных тканей

Липиды – составные части клеточных стенок.

Кроме предыдущих существуют:

- кофакторы ферментов – необходимые компоненты значительного числа ферментов, катализируют окислительно-восстановительные реакции.

- коферменты – органические соединения, функционирующие в определённых системах ферментных реакций. Например: никотиноамидоданин динуклеатид (NAD+). В окисленной форме – это окислитель спиртовых групп до карбонильных, при этом образуется восстановитель.

- Кофакторы ферментом – сложные органические молекулы, синтезируются из сложных предшественников, которые должны присутствовать в качестве обязательных компонентов пищи.

Для высших животных характерно образование и функционирование веществ управляющих нервной и эндокринной системой – гормоны и нейромедитаторы. Например, гормон надпочечника запускает окислительную переработку гликогена в процессах стрессовой ситуации.

Во многих растениях синтезируется сложный амин обладающий сильным биологическим действием – алкалоиды.

Терпены – соединения растительного происхождения, компоненты эфирных масел и смол.

Антибиотики – вещества микробиологического происхождения, выделяемые специальными видами микроорганизмов, подавляющих рост других конкурирующих микроорганизмов. Механизм их действия разнообразен, например замедление роста белков в бактериях.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒