СПЕЦИФИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ

Специфика живых систем. Единство химического состава. Органические вещества и их биологическая роль. Самовоспроизведение. Рост и развитие. Обмен веществ и энергии. Раздражимость. Наследственность. Изменчивость. Генетически модифицированные организмы. Реализация наследственной информации вирусами. Саморегуляция. Нейрогуморальный механизм и уровни гомеостаза. Работы Г.Селье и В. Шелфорда. Ритмичность. Взаимосвязи между физическими, химическими и биологическими процессами

Изучение свойств объектов живой природы показало, что жизнь связана со сложным коллоидным состоянием содержимого клетки, для которого характерны обмен веществ и энергии, обусловленные реализацией наследственной информации, заключенной в нуклеиновых кислотах. Живые системы от клетки до биосферы в целом представляют собой системы, ассимилирующие энергию из внешней среды таким образом, что могут активно противостоять разрушению сложившейся организованности, т.е. противостоять процессу, характерному для всех тел неорганической природы. Живые системы обладают рядом свойств и признаков, которые отличают их от неживой природы.

Единство химического состава. Все живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, но соотношения элементов в неживом и живом неодинаково. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента С, О, N, Н. Углерод составляет химическую основу жизни. Большое значение имеет способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конечном итоге, скелет больших и сложных органических молекул.

Органические вещества и их биологическая роль. Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры, а также жиры и ряд небольших молекул (липиды, АТФ и др.). Биологические полимеры — это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев — мономеров. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Биополимеры составляют около 90% сухой массы клетки, при этом у животных количественно преобладают белки, у растений — полисахариды.

Белки. Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50 % сухой массы клетки. Функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур. Коллаген – компонент костей и сухожилий, кератин – кожи, шерсти, волос. Все ферменты (липаза, амилаза, пепсин, каталаза) — вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке в десятки и сотни тысяч раз. Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, к которым способны клетки и организмы: мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, движение листьев у растений. Основой всех типов мышечного сокращения служит взаимодействие актина и миозина. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, кислорода гемоглобином) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела. При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в белых кровяных тельцах — лейкоцитах — образуются особые защитные белки — антитела. Они связывают и обезвреживают не свойственные организму вещества. Белки выполняют энергетическую функцию.

Углеводы. Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток, хитин — главный структурный компонент наружного скелета членистоногих и грибов. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладываясь в клетках, служат энергетическим резервом. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в достигает 90% сухой массы (клубни картофеля, семена). Глюкоза содержится в крови (0,1—0,12 %), является мономером таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза. Пентозы — рибоза и дезоксирибоза — входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Пищевой сахар состоит из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы, молочный сахар — из глюкозы и галактозы. Биологическая активность гепарина обеспечивается полисахаридной частью молекулы. Он является природным антикоагулянтом, производит гипогликемический эффект. Пектиновые вещества содержатся во всех плодах и ягодах, являясь природными ионообменниками, могут создавать подвижную систему локального изменения рН, что приводит к регулированию действия ферментов, локализованных в клеточной стенке. Наиболее практически ценным свойством пектинов является склонность к образованию гелей.

Жиры (липиды) представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Содержание жира в клетке колеблется в пределах 5—15 % от массы сухого вещества. Фосфолипиды, гликолипиды и холестерин участвуют в образовании клеточных мембран. Образование некоторых липоидов предшествует синтезу ряда гормонов, что указывает на функцию регуляции обменных процессов. Вместе с жирами при всасывании в организм поступают жирорастворимые витамины (А, Е, D, К). Основная роль липопротеинов - транспорт липидов, поэтому они обнаруживаются в биологических жидкостях. В клетках жировой ткани количество жира возрастает до 90 %. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жир служит запасным источником энергии. Низкая теплопроводность жира позволяет выполнять функцию теплоизолятора. У тюленей и китов отложения подкожной жировой ткани достигают 1 м.

Нуклеиновые кислоты. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального развития. Изучение структуры нуклеиновых кислот, которую впервые установили американский биолог Уотсон и английский физик Крик, имеет исключительно важное значение для понимания наследования признаков у организмов и закономерностей функционирования как отдельных клеток, так и клеточных систем — тканей и органов. Существуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Помимо уникальной роли нуклеиновых кислот в хранении и реализации наследственной информации они выполняют важные регуляторные функции, контролируя биоэнергетику клетки и скорость метаболических процессов.

Самовоспроизведение. Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Такие реакции неизвестны в неживой природе. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - способности к воспроизведению себе подобных. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул на основе информации заложенной в ДНК и закодированной с помощью кода, получившего название генетического. Роль матрицы в реакциях играют молекулы нуклеиновых кислот: ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты - по принципу комплементарности фиксируются на матрице в строго определенном порядке.

Структура генетического кода характеризуется тем, что он является триплетным, т. е. состоит из триплетов (троек) азотистых оснований ДНК, получивших название кодонов. Из 64 возможных кодонов 61 является кодирующим, кодируя место аминокислоты в полипептиде. Один кодон кодирует место одной аминокислоты в полипептидной цепи. Три кодона, не кодируют места аминокислот в полипептиде, а детерминируют остановку синтеза полипептида. Поэтому они названы стоп-кодонами. Кодирующая система определяет первичную структуру белка. Генетическая информация программирует синтез белков, определяющих строение и функции клеток, органов и целого организма.

Генетически модифицированные организмы (ГМО) создаются методами генной инженерии – науки, которая позволяет вводить в геном растения, животного или микроорганизма фрагмент ДНК из любого другого организма с целью придания ему определенных свойств. Экспериментальное создание генетически модифицированных организмов началось еще в 70-е годы XX века.

В 1992 г. в Китае стали выращивать табак, устойчивый к пестицидам. В 1994 г. в США появились генетически модифицированные помидоры, устойчивые к транспортировке. Экологи опасаются, что генетически измененные формы могут случайно проникнуть в дикую природу. При перекрестном опылении сорняки могут получить от ГМО ген устойчивости к вредителям и пестицидам. Размножение сорняков может стать неконтролируемой, что нарушит саморегуляция экосистем. Существуют пищевые риски. Сорта растений, устойчивые к пестицидам, могут накапливать вредные вещества и вызывать отравление при употреблении в пищу.

Реализация наследственной информации вирусами. В отличие от обычных живых клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет в клетку определенного типа. Вирус полиомиелита, например, может жить в нервных клетках человека или высокоорганизованных животных, как обезьяны, вирус гепатита размножается в печени. ВИЧ поселяется в клетках иммунной системы, лимфоцитах, и вызывает СПИД.

Рост и развитие. Рост выражается в увеличении размеров и массы с сохранением общих черт строения, сопровождается развитием, т.е. возникновением качественно нового образования. Понимание механизмов апоптоза имеет принципиальное значение для изучения процессов дифференциации и формирования тканей в ходе эмбрионального развития, успешного лечения СПИД и злокачественных опухолей. Смерть живой клетки может произойти двумя путями – апоптоза или некроза. Апоптоз - запрограммированная гибель клетки. Этот процесс контролируется генетически, запускается специфическими сигналами и избавляет организм от ослабленных, ненужных или повреждённых клеток. Ежедневно часть клеток организма подвергаются апоптозу, их место занимают другие клетки. Некроз – это омертвение клеток под воздействием механических, физических или химических факторов. При снижении апоптоза наблюдается накопление клеток (опухолевый рост), при увеличении апоптоза – снижение числа клеток в ткани (атрофия).

Обмен веществ и энергии. Все живые организмы поглощают необходимые им вещества из внешней среды и выделяют в неё продукты жизнедеятельности; через них проходят потоки веществ и энергии. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава организмов – гомеостаз.

Раздражимость. Проявляется в реакции живых организмов на внешнее воздействие. Организмы избирательно реагируют на условия окружающей среды.

Наследственность и изменчивость. Наследственность называют способность организмов обеспечивать передачу признаков, свойств, особенностей развития из поколения в поколение, изменчивостью – способность организмов приобретать новые признаки и свойства (рис.1).

Рис. 1. Виды и источники изменчивости

Реализация генотипа в онтогенезе происходит приспособительно к конкретным условиям среды, но наследуется не признак, а норма реакции – степень возможной изменчивости в ходе реализации генотипа. Норма реакции зависит от возраста, пола, фазы развития и прочих условий. Она имеет нижний и верхний пределы или границы. Усиленное кормление приведет к увеличению массы животного, однако все будет находиться в пределах нормы реакции, характерной для данного вида или породы. Норма реакции может быть широкой, т. е. изменяющейся в большом диапазоне, или узкой. Чем шире норма реакций, тем пластичнее признак, тем он более адаптирован к условиям среды, что приводит к увеличению вероятности выживания вида в изменяющихся условиях среды. Широкой нормой реакции обладают такие признаки у человека, как вес, количество жира в организме, густота волос. Узкая норма реакции характерна для размеров сердца и мозга, степени жирности молока у коров, длина шерсти у овец. Изменчивость признака иногда бывает очень большой, но она никогда не может выходить за пределы нормы реакции. Есть признаки, которые остаются неизменными независимо от факторов среды, например: группа крови у человека.

У разных людей при относительно одинаковых тренировочных возможностях степень тренируемости двигательных качеств различна. В связи с успехами генетики появляется возможность определять перспективы юных спортсменов. Однако в настоящее время относительно немного сведений о наследовании высоких вариантов нормальных признаков человека. Одаренностью к определенным видам спорта обладают не только отдельные лица. Ведущие спринтеры мира происходят из Западной Африки – ими завоевано 494 медали из 500 на дистанции 100 м. Они доминируют в международном боксе. Выходцы из Восточной Африки – прирожденные стайеры.

Саморегуляция. Саморегуляция выражается в способности живых организмов обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов.

Внутренняя среда живого здорового организма должна сохранять постоянство при любых колебаниях внешней среды. Американский физиолог Кеннон ввел термин «гомеостаз», когда заметил, что при голоде, страхе, ярости, боли усиливается дыхание, учащается сердцебиение, повышается артериальное давление, что увеличивает насыщение крови кислородом и облегчает его доставку к органам и тканям. Эти реакции способствуют сохранению постоянства внутренней среды или гомеостаза, чтобы обеспечить стабильность и возможность существовать.

Гомеостаз – способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций динамического равновесия (гомеокинеза). Примерами гомеостатического контроля на уровне организма являются артериальное давление, t_тела, объём циркулирующей крови, на уровне плазмы крови – содержание О2, углекислоты, глюкозы, K+, Na+, Ca2+, H+. Когда организму не хватает приспособительных резервов, ему не удается сохранить внутреннее постоянство. В таких случаях наблюдаются солнечный удар, переохлаждение, переутомление и др.

В настоящее время термин «гомеостаз» употребляется при характеристике способности динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Живым системам приходится адаптироваться к изменениям среды, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды и развиваться. На уровне органов и организма в целом осуществляется нейрогуморальный механизм гомеостаза.

Гомеостаз популяции как способность поддерживать определённую численность и генетическую стабильность особей объясняется законом Харди-Вайнберга. На уровне экосистем саморегуляция происходит за счет биотических связей между организмами. Эффективность саморегуляции определяется разнообразием видов и пищевых взаимоотношений между ними. Малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ обеспечивают постоянство на биосферном уровне организации жизни.

При отклонениях факторов среды от оптимальных значений у многих организмов наблюдается гомеостатическое поведение – избегание неблагоприятных воздействий и поиск благоприятных условий. Если поведения оказывается недостаточным для сохранения гомеостаза, сопротивление негативным воздействиям среды достигается с помощью физиологической регуляции. Понижение концентрации кислорода в среде вызывает у животных усиление легочной вентиляции и ускорение кровообращения. При низкой температуре у теплокровных усиливается обмен веществ в мышцах и во внутренних органах, чем достигается увеличение теплообразования и поддержание постоянной температуры тела. Длительное напряжение физиологических функций приводит к истощению ресурсов организма – к стрессу. Учение об общем адаптационном синдроме, или синдроме биологического стресса разработано Г.Селье. Но фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке. Проблемы возникают также и при избытке любого из экологических факторов. По закону толерантности В.Шелфорда, как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Каждый живой организм может нормально существовать и продолжать свой род только в определенных границах значений факторов среды. Критическим называют такое значение фактора и соответствующее ему состояние организма, при котором еще сохраняется способность к самовосстановлению после прекращения негативного воздействия. Существуют нижние и верхние пределы температуры, освещенности, концентрации кислорода в воздухе, атмосферного давления. Предел выносливости (диапазон выживания или зона толерантности) организма определяется крайними, экстремальными для организма или популяции значениями, за границами которых существование не возможно. Стенобионты – организмы, способные существовать лишь при относительно постоянных условиях окружающей среды. Эврибионты – организмы, способные существовать при значительных изменениях условий окружающей среды.

Ритмичность. Биологические ритмы — периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений. Они свойственны живой материи на всех уровнях ее организации. Являются фундаментальным процессом в живой природе. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (частота сокращений сердца), другие связаны с приспособлением организмов к геофизическим циклам — суточным, приливным (открывание и закрывание раковин у морских моллюсков), годичным (линька, перелеты птиц, спячка). Ритмические функции органов согласованы между собой. Если такая согласованность нарушается, возникает десинхроноз. Острый десинхроноз возникает при рассогласовании датчиков времени и биоритмов организма при быстром перемещении в широтном направлении (на самолете из России в Японию).

Признаком хорошего здоровья является хорошая временная последовательность в работе организма. Многие заболевания человека связаны с нарушением биоритмов.

Взаимосвязи между физическими, химическими и биологическими процессами. Наука биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических систем. Одним из важнейших направлений биофизики является изучение биологического действия ионизирующих излучений. При введении в организм перед облучением веществ-ингибиторов осуществляется химическая защита. Биофизика выявляет физико-химические свойства молекул веществ-ингибиторов и на основе общих принципов дает методы подбора необходимых соединений.

Вопрос превращения и передачи энергии при фотохимических процессах стоит в основе другой важной биофизической проблемы – проблемы механизма фотосинтеза.

Биофизикой изучаются механизмы процесса зрения, исследуются продукты фотохимических реакций, происходящих при поглощении энергии света пигментами зрительных рецепторов.

Важным направлением биофизики является исследование закономерностей проникновения веществ в живые клетки. Это практически важный вопрос, так как с проницаемостью связано фармакологическое: действие лекарственных веществ и токсическое действие различных ядов в сельском хозяйстве, при дезинфекции. Поэтому биофизика изучает и физико-химические свойства биологических мембран и способы изменения их проницаемости действием различных агентов.

Физиология использует биоэлектрические потенциалы для оценки физиологических и патологических состояний организма. Задача биофизики – выявить физико-химические причины появления и развития биоэлектрических потенциалов, определить их энергетические источники.

Биофизика принимает участие в расшифровке вопросов о физико-химических механизмах наследственности: анализируются те силы, которые вызывают деление и расхождение хромосом, физико-химические основы взаимодействия нуклеиновых кислот, физико-химическая природа гена.

Внимание биофизики привлекает проблема регуляции гомеостаза. Для понимания вопросов авторегулирования требуется разработка термодинамики и кинетики биологических процессов, что и составляет важнейшую задачу биофизики. Задачи контроля и управления взаимодействием систем органов и приспособления к внешней среде организма человека реализуют нервная и эндокринная системы.

Источники информации

1. Акимова Т.А., Кузьмин A.П., Хаскин В.В. Экология. Природа - Человек - Техника: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.

2. Бутейко К.П. Комплексные методы исследования сердечно-сосудистой системы и дыхания // Вопросы функциональной диагностики. - Новосибирск. 1969.

3. Дубровский, В.И. Реабилитация в спорте: монография / В. И. Дубровский. - М.: Физкультура и спорт, 1991. - 206 с.

4. Иваницкий М.Ф. Анатомия человека (с основами динамической и спортивной морфологии): учебник для институтов физической культуры.- М.: Человек, 2011.- 624с.

5. Иржак Л.И. Функциональные пробы для оценки легочного дыхания / Л.И. Иржак, П.В. Полякова, Е.М. Осколкова // Физиология человека. – 2001. – Т. 27, № 3. – С. 76-80.

6. Моисеева Н. И. Свойства биологического времени//Фактор времени в функциональной организации деятельности живых систем. — Л., 1980. — С. 15–19.

7. Николайкин Н.И. Экология: учеб. для вузов /Н.И.Николайкин, Н.Е.Николайкина, О.П.Мелехова. — 3-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. — 624 с

8. Орлов Р.С., Ноздрачёв А.Д. Нормальная физиология: учебник. – М: ГЭОТАР-Медиа, 2009. – 688 с.

9. Рогозкин, В.А. Генетические маркеры физической работоспособности человека / В.А.Рогозкин, И.Б.Назаров, В.И.Казаков //Теория и практика физ.культуры. – 2000. – № 12. – С. 33–36.

10. Соловьев В.Н. Физическое здоровье как интегральный показатель уровня адаптации организма студентов к учебному процессу // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 6 – С. 61-66

11. Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: учебник.- М.: Советский спорт, 2010.- 620 с.

12. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: 1 т. Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера – 3-е изд., – М.: Мир, 2004. – 454 с.

13. Чернова Н.М., Былова А.М. Общая экология: учебное пособие для студентов биол. спец. пед. ин-тов.- 2-е изд., перераб.- М.: Дрофа, 2004.- 416 с.

14. Шварц, В. Б. Медико-биологические аспекты спортивной ориентации и отбора /В.Б. Шварц, С.В.Хрущев.— М.: Физкультура и спорт, 1984.— 151 с.

15. Kerdo I. Ein aus Daten der Blutzirkulation kalkulierter Index zur Beurteilung der vegetativen Tonuslage // Acta neurovegetativa, 1966, Bd.29, №2, S. 250-268.

Дата добавления: 2014-11-06; просмотров: 785; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!