КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по предмету: КСЕ на тему: « »

advertisement
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по предмету: КСЕ
на тему: «Особенности биологического уровня организации
материи»
Выполнила:
Проверил:
2003 г.
2
Содержание
Введение ……………………………………………………………………
3
Особенности биологического уровня организации материи ……….
4
Заключение …………………………………………………………………
14
Список литературы ………………………………………………………..
15
3
Введение
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе
предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки. Как это произошло, пока
трудно даже предполагать. Сейчас можно наблюдать лишь конечный результат произошедшего скачка, создавшего живую клетку, и последовавшую затем биохимическую эволюцию. В современных организмах обе
жизненные системы достигли высочайшего уровня совершенства. Следы
древнего процесса, приведшего к появлению подобных организмов, затеряны. Однако физико-химическая основа таких систем одна и та же у
всех земных организмов независимо от степени их сложности. Это обстоятельство рассматривается как указание на то, что дерево жизни выросло из одного черенка — праматери живой клетки.
В последнее время в изучении механизмов работы биологических
систем достигнуты крупные успехи. Многое прояснилось, открылись перспективы дальнейших исследований. Но остается вопрос: как могли в
ходе химической эволюции сложиться из неживого вещества такие высокоупорядоченные, тонко подогнанные системы, какими являются системы обмена веществ и воспроизведения. Время для получения ответа
на этот вопрос, видимо, еще не настало. История появления и развития
биосферы не менее удивительна, чем история возникновения и развития
Вселенной. В рамках нового научного мировоззрения стало ясно: жизнь
на Земле есть системное общепланетное явление, корни которого уходят
в историю Вселенной.
Таким образом, биологический уровень организации материи является наивысшей формой ее развития на Земле и характеризуется рядом
особых свойств. В связи с этим, являются актуальными исследования
этих свойств живой материи, вот почему я выбрала данную тему контрольной работы.
4
Особенности биологического уровня организации материи
Существует одно важное, но пока необъяснимое различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее некую особенность процесса возникновения жизни на Земле. По крайней мере так считают исследователи, изучающие этот феномен. С позиций физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном
направлении — либо влево, либо вправо — в зависимости от конкретного
типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию. А молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК (содержащие в своем составе сахар-рибозу) поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо,
т.е. обладают правой пространственной конфигурацией1.
Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живого происхождения имеет отношение к происхождению жизни.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью, а соответствующим образом отобранные молекулы
— хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом, а процесс образования такой смеси — рацемизацией. Рацемат, возникающий при абиогенном синтезе органических молекул, — это пример равновесного, симметричного состояния конечного продукта синтеза.
1
Губанов Н. И. и др. Медицинская биофизика. – М.: Медицина, 1978. – С. 75.
5
Нет сомнений, что в преджизненный период образования на Земле
органических соединений возникал только рацемат. При переходе же к
жизни у соответствующих органических соединений вдруг произошла
сортировка молекул и возникла хиральность. Как это произошло, почему
у белков отсортировались молекулы с L-конфигурацией, а у ДНК и РНК
— молекулы с D-конфигурацией? На эти вопросы пока ответа нет. Но качественные предположения можно высказать, опираясь на понимание
процессов самоорганизации в природе.
Переход к жизни, рассматриваемый как самоорганизация вещества,
мог произойти в условиях, когда открытая система (предшественница
биосферы) находилась в крайне неравновесном, критическом состоянии.
Присущая биосфере хиральность подтверждает, что именно таким и
было состояние перехода. Возникновение хиральности потребовало
определенных энергетических вложений, необходимая энергия поступала извне. Что же касается L- и D-конфигураций, то наблюдаемые особенности молекул белков и нуклеиновых кислот биосферы могли возникнуть по чисто случайным причинам, закрепившись затем в генетическом
аппарате, но не исключено и то, что здесь присутствуют какие-то пока
неизвестные важные для жизни причины. Во всяком случае, установлено,
что хиральная чистота живых организмов принципиально важна: полимеры хирально нечистого состава менее прочны, медленнее растут и
быстрее разрушаются, чем хирально чистые. Переход от рацемата к хиральности не мог произойти в ходе эволюционного, плавного развития,
здесь имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, т.е. проявились характерные черты фазового перехода.
Но есть и другая точка зрения. Еще Л.Пастер, первооткрыватель оптической активности вещества живых организмов, высказал предположение, что зеркальная асимметрия жизни есть следствие некоторой асимметрии Вселенной. Но в этом предположении кроется затруднение: асимметрия Вселенной нарушала бы симметрию любого органического вещества, независимо от его происхождения.
6
В наши дни точку зрения Пастера пытаются развить, выдвигая
предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих асимметричное воздействие на вещество организмов. Обнаружить таких агентов пока не удалось, и подобные предположения зависают в неопределенности.
В чем же заключается отличие живого от неживого? В настоящее
время к числу свойств живого обычно относят следующие:
 Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше чем в неживых системах2.
 Живые организмы получают энергию из окружающей среды. Это открытые системы, имеющие обмен с окружающей средой как энергии,
так и вещества.
 Живые организмы имеют способность к самовоспроизведению.
Рассмотрим уровни организации живых систем.
1. Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была
организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача
наследственной информации и др.
2. Клеточный. Клетка - структурная и функциональная единица, а
также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле.
Основные положения клеточной теории:
1. Все организмы состоят из одинаковых частей - клеток; они образуются и растут по одним и тем же законам.
2. Общий принцип развития для элементарных частей организма - образование клеток.
2
Концепции современного естествознания./ Под ред. В.Н.Лавриненко. – М.: Юнити-Дана, 1999. – С. 179.
7
3. Каждая клетка в определенных границах есть индивидуум, некое самостоятельное целое. Но эти индивидуумы действуют совместно, так,
что возникает гармоничное целое ткань. Все ткани состоят из клеток.
4. Процессы, происходящие в клетках растений, сводятся к следующим:
возникновение новых клеток: увеличение размеров клеток: изменение
клеточного содержимого и утолщение клеточной стенки.
Благодаря созданию клеточной теории стало понятно, что клетка это важнейшая составляющая часть всех живых организмов. Из клеток
состоят ткани и органы. Развитие всегда начинается с одной клетки, и
поэтому можно сказать, что она представляет собой предшественник
многоклеточного организма.
На клеточном уровне осуществляются: передача информации и
превращение веществ и энергии3. В зависимости от характера структуры
и функционирования все клетки можно разделить на два класса:
 прокариоты - клетки, лишенные ядер;
 эукариоты, появившиеся позднее, — клетки, содержащие ядра.
При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса
клеток обладают существенными различиями в структуре и функционировании генетического аппарата, строении клеточных стенок и мембранных систем, характере механизмов синтеза белков и т.п.
Соответственно тому, из каких клеток построены живые системы, их
можно разделить на две обширные группы, или два живых царства. К
первому принадлежат многочисленные виды таких одноклеточных организмов, как бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и др. Все остальные одноклеточные, а тем более многоклеточные организмы, начиная от
низших и кончая высшими, построены из позднее возникших эукариотных
клеток. Эту классификацию пришлось, однако, пересмотреть по сле открытия архебактерий, особенность которых состоит в том, что их
клетки в чем-то сходны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой — с
3
Концепции современного естествознания./ Под ред. В.Н.Лавриненко. – М.: Юнити-Дана, 1999. – С. 184.
8
эукариотами. На этом основании в настоящее время различают три типа
онтогенетического уровня организации живых систем, которые представляют собой три линии развития живого мира:
1) прокариоты, или эубактерии;
2) эукариоты;
3) архебактерии.
По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, которую можно называть протоклеткой. Предполагают, что она обладала всеми основными свойствами,
характерными для живых организмов. К ним относят прежде всего способность к обмену с окружающей средой — признак, присущий всем открытым системам. С нею непосредственно связана способность протоклетки к метаболизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровождающихся усвоением необходимых для роста клетки веществ и
удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее функционирование и развитие клетки предполагает также наличие у нее способности к делению и отпочкованию. К этим признакам многие исследователи
добавляют дополнительные свойства, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была какой-то бесструктурной массой, а представляла собой достаточно организованную целостность, которую можно
охарактеризовать как первичную живую систему. Предполагают также,
что протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным свойствам не была подобна современным одноклеточным прокариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными свойствам эукариотных
клеток.
По вопросу происхождения эукариотных клеток существует две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы считают, что такие
клетки могли возникнуть путем дифференциации и усложнения слабо
структурированных клеточных образований, подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической, гипотезы полагают, что эукариотные
клетки образовались путем симбиоза нескольких прокариотных клеток,
9
геномы которых внедрились в клетку-хозяина, причем, по одной версии,
они способствовали постепенному превращению последней в эукариотную клетку, а по другой — она уже обладала некоторыми свойствами эукариотов.
3.Организменный. Элементарной единицей организменного уровня
служит особь, которая рассматривается в развитии - от момента зарождения до прекращения существования - как живая система. На этом
уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.
4. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того
же вида, объединенная общим местом обитания, в которой создается популяция - надорганизменная система. В этой системе осуществляются
элементарные эволюционные преобразования - процесс микроэволюции.
Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют
единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности,
или, скорее, системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.
Приведенное общее определение популяции дает возможность отличать организменный уровень живого от надорганизменного. Сам термин «популяция» был введен одним из основателей генетики — Вильгельмом Иогансеном (1857—1927), который с его помощью обозначал генетически неоднородную совокупность организмов в отличие от однородной, которую он называл «чистой линией».
В дальнейшем этот термин и обозначаемое им понятие приобрели
более глубокий смысл. Многие современные ученые характеризуют популяцию не столько как простую совокупность отдельных организмов,
10
сколько как целостную их систему, в которой они непрерывно взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Благодаря этому они оказываются способными к трансформациям, изменению своего ареала и,
самое главное, к развитию.
Популяции представляют собой первый надорганизменный уровень
организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярным уровнями, но качественно отличается от них
по характеру взаимодействия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными
единицами эволюции. Второй надорганизменный уровень организации
живого составляют различные системы популяций, которые называют
биоценозами.
5. Биогеоценотический. Биогеоценоз - совокупность организмов
разных видов и различной сложности организации с факторами среды их
обитания. В процессе совместного исторического развития организмов
разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.
6. Биосферный. Биосфера - совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом
уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.
Таким образом, в функционировании и развитии живой природы
особенно наглядно и убедительно выступают ее целостность и системность, которые проявляются в существовании различных иерархических
уровней ее организации. При этом каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и закономерностями, не сводимыми к закономерностям прежнего, низшего уровня.
Поскольку основу надорганизменных уровней организации живого
составляют популяции, целесообразно несколько подробнее остановиться на их характеристике.
11
Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки, называемая
популяционной биологией. Одна из основных проблем, которую она призвана решить, заключается в установлении пространственной структуры
и объемов популяций. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в силу подвижности компонентов популяции, т.е.
составляющих ее организмов, происходит непрерывное перемешивание
ее населения. Другая трудность — в наличии внутри популяций различных группировок и существовании популяций разных рангов.
В рамках популяционной биологии исследуются также весьма важные проблемы метаболического взаимодействия между популяциями и
биоценозами, которые относятся прежде всего к изучению их трофических, или пищевых, связей. Именно на этой основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно состоит в том, что популяции представляют собой незамкнутые, открытые метаболические системы, которые могут существовать и развиваться только при взаимодействии с другими популяциями. В отличие от них биоценозы — относительно замкнутые метаболические системы, в которых обмен и круговорот веществ могут осуществляться между входящими в биоценоз популяциями.
Биосфера является самой крупной, глобальной экосистемой планеты. Понятие биосфера было введено в 1875 году Э. Зюссом. Но
наибольшее развитие это понятие получило в трудах В.И. Вернадского.
Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и
атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть
где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности.
Основные положения теории Вернадского:
 жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают
критики;
12
 возникновение Земли как космического тела и появление на ней
жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;
 наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;
 количество живого вещества на Земле является постоянной величиной, то есть во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, что и сегодня;
 жизнь является главной геологической силой на планете (не вулканизм и не процессы выветривания определяют лик планеты; ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы и т.п. - это порождение
жизни);
 человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на которого
возложена определенная роль в ее жизни;
 в настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете;
 однажды развитие биосферы и общества сделается неразрывным, и
биосфера перейдет в новое состояние - ноосферу (сфера разума).
Известно, что недра планеты и космические процессы активно влияют на процессы в биосфере. Таким образом, сфера жизни оказывается
плотно вплетенной в единую ткань Вселенной, поэтому границы ее
весьма условны.
Основные свойства биосферы:
1. Биосфера - это централизованная система. Центральным ее звеном
выступают все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек.
2. Биосфера - это открытая система. Ее существование немыслимо без
поступления энергии извне, прежде всего от Солнца.
13
3. Биосфера - это саморегулирующаяся система. Это свойство называют
гомеостазом, понимая под ним способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов.
4. Биосфера - это система, характеризующаяся большим разнообразием.
Это повышает ее устойчивость за счет дублирования функций.
5. Наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ. Это гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений.
14
Заключение
Единство, непрерывность и разнообразие живого мира выявляются
в результате проникновения в сокровенные тайны природы. Однако обнаружить те или иные явления природы—еще не значит понять их. Чтобы
достигнуть понимания, необходимо уметь ставить вопросы, на которые в
принципе можно получить ответы, разработать решающие эксперименты, доказать или опровергнуть некоторые двусмысленные или неясные моменты и построить поддающиеся проверке гипотезы и теории, которые связывают имеющиеся у нас отдельные факты и наблюдения в
осмысленное целое. В результате таких наблюдений, экспериментов и
теоретических построений было установлено, что окружающий нас мир,
живой и неживой, представляет собой некую упорядоченную систему,
управляемую по определенным законам, которые называют законами
природы. Наука, в сущности, приобретает смысл лишь в том случае, если
она исходит из того, что природа упорядочена. Функция науки поэтому
состоит в выявлении этой упорядоченности и попытке объяснить ее.
Сложность биологического уровня организации материи не позволяет в настоящее время однозначно ответить на многие вопросы, которые были рассмотрены выше. Однако ученые постепенно раскрывают
тайны живой материи и возможно в будущем картина эволюции жизни на
Земле станет более ясной.
15
Список литературы
1. Воронов В. К. и др. Основы современного естествознания. – М.: Высшая школа, 1999.
2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр,
1997.
3. Губанов Н. И. и др. Медицинская биофизика. – М.: Медицина, 1978.
4. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. – М.: Культура и спорт, 1997.
5. Концепции современного естествознания./ Под ред. В.Н.Лавриненко.
– М.: Юнити-Дана, 1999.
6. Кузнецов В. И. Естествознание. – М.: Агар, 1996.
7. Солопов Е. Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Владос,
1998.
Скачать