Книга: Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень

2. Сущность жизни и свойства живого

2. Сущность жизни и свойства живого

Вспомните!

Каково происхождение названия науки биологии?

Что вам известно о свойствах и сущности жизни?

Сущность жизни. Что такое жизнь, основной объект изучения биологии? Где та грань, которая отделяет живое от неживого, распределяет по разным категориям гору и растущее на ней дерево, реку и живущую в ней рыбу? Жизнь как явление природы – величайшая загадка, которую человечество пытается решить уже многие тысячи лет.

В IV в. до н. э. великий греческий учёный Аристотель предположил, что живое становится живым благодаря специальной силе, которая заставляет семя прорастать, рыбу плыть, птицу откладывать яйца. Спустя два с лишним тысячелетия, в начале XIX в., немецкий естествоиспытатель Готфрид Рейнхольд Тревиранус ввёл понятие vis vitalis – «жизненная сила». Этот термин дал название философскому направлению – витализму.

С развитием органической химии многие учёные пытались объяснить отличия живого от неживого с помощью химических формул. Именно к этому периоду относится классическое определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

На протяжении XX в. делалось много попыток дать максимально полное и корректное определение сущности жизни:

– совокупность специфических физико-химических процессов;

– особая форма существования материи;

– активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и воспроизведение специфической структуры;

– процесс обмена веществ;

– самовоспроизводящийся процесс, который прекращается с разрушением определённой структуры организации.

Существование этих и многих других определений демонстрирует, как сложно дать однозначное определение жизни.

В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, обязательными компонентами которой являются белки и нуклеиновые кислоты.

Свойства живого. Не придя к единому универсальному определению, учёные договорились характеризовать жизнь целым комплексом свойств и признаков, совокупность которых позволяет определить ту самую границу, которая отделяет живое от неживого.

Рассмотрим основные свойства живой материи.

Единство элементного химического состава. В состав живого входят те же элементы, что и в состав неживой природы, но в других количественных соотношениях; при этом примерно 98 % приходится на углерод, водород, кислород и азот.

Единство биохимического состава. В состав всех живых организмов обязательно входят белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Единство структурной организации. Единицей строения, жизнедеятельности, размножения, индивидуального развития является клетка; вне клетки жизни нет.

Дискретность и целостность. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей (молекулы, органоиды, клетки, ткани, организмы, виды и т. д.), которые вместе образуют структурно-функциональное единство. Причём свойства целой системы не являются простой совокупностью свойств частей, её составляющих.

Обмен веществ и энергии(метаболизм). Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции (пластического обмена) – синтеза органических веществ в организме (за счёт внешних источников энергии – света, пищи) и диссимиляции (энергетического обмена) – процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом.

Саморегуляция. Любые живые организмы обитают в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды. Благодаря способности к саморегуляции в процессе метаболизма сохраняются относительное постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов, т. е. поддерживается гомеостаз.

Открытость. Все живые системы являются открытыми, потому что в процессе их жизнедеятельности между ними и окружающей средой происходит постоянный обмен веществом и энергией (рис. 3).

Размножение. Размножение – это способность организмов воспроизводить себе подобных. В основе воспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т. е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Это свойство обеспечивает непрерывность жизни и преемственность поколений.

Рис. 3. Закрытая (А) и открытая (Б) системы

Наследственность и изменчивость. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Основой наследственности является относительное постоянство строения молекул ДНК.

Изменчивость – свойство, противоположное наследственности; способность живых организмов приобретать новые признаки, отличные от качеств других особей того же или другого вида. Изменчивость, обусловленная изменениями наследственных задатков – генов, создаёт разнообразный материал для естественного отбора, т. е. отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования в природе. Это приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

Рост и развитие. Индивидуальное развитие, или онтогенез, – развитие живого организма от зарождения до момента смерти. В процессе онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие обычно сопровождается ростом.

Историческое развитие, или филогенез, – необратимое направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

Раздражимость и движение. Раздражимость – это способность организма избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия, т. е. воспринимать раздражение и отвечать определённым образом. Ответную реакцию организма на раздражение, осуществляемую при участии нервной системы, называют рефлексом.

Организмы, у которых отсутствует нервная система, отвечают на воздействие изменением характера движения или роста, например листья растений поворачиваются к свету.

Ритмичность. Суточные и сезонные ритмы направлены на приспособление организмов к меняющимся условиям существования. Наиболее известным ритмическим процессом в природе является чередование периодов сна и бодрствования.

Некоторые отдельные свойства, рассмотренные нами, могут встречаться и в неживой природе – сталактиты растут, вода в реке движется, чередуются приливы и отливы. Но в совокупности все перечисленные свойства характерны только для живых организмов.

Растения

Движения растений. Органам высших растений свойственны направленные ростовые движения (изгибы), вызванные односторонним воздействием различных факторов среды (света, влажности, земного притяжения и др.). Такие типы движений называют тропизмами. В их основе лежит явление раздражимости. Обычно тропизмы возникают в растущих частях растений за счёт более быстрого роста клеток на одной стороне листа, стебля или корня. Разная скорость роста связана с асимметричным распределением растительных гормонов (фитогормонов), в первую очередь гормона роста (ауксина). Движение, направленное в сторону раздражителя, называют положительным тропизмом, в противоположную сторону – отрицательным. В зависимости от природы раздражителей различают разные виды тропизмов. Например, рост побега по направлению к источнику света является положительным фототропизмом, рост корня в направлении центра Земли – положительным геотропизмом, а рост побега – отрицательным геотропизмом.

Животные

Движения животных. Простейшие обладают раздражимостью, они реагируют на свет, температуру, химические вещества, механические воздействия и т. д. Воздействие раздражителей простейшие воспринимают с помощью специальных рецепторов, расположенных в мембранах. Ответом на раздражение у простейших обычно служит движение – таксис. Если организмы перемещаются по направлению к действующему фактору, например к свету, говорят о положительном таксисе (фототаксисе). Движение в противоположном направлении называют отрицательным таксисом.

Человек

Рефлекс. Путь, по которому проходит нервный импульс во время рефлекторной реакции, называют рефлекторной дугой. С точки зрения анатомии рефлекторная дуга – это цепочка нервных клеток. Начинается рефлекторная дуга с чувствительной структуры – рецептора, воспринимающего определённое раздражение (механическое или световое, звуковое или температурное и т. д.). Вторую часть дуги составляют структуры, передающие сигнал в центральную нервную систему. И наконец, управляющий сигнал из центральной нервной системы должен достичь рабочего органа (мышцы или железы). Пришедший нервный импульс изменит состояние органа, например мышца сократится.

Все рефлексы подразделяют на соматические, которые заканчиваются сокращением скелетных мышц, и вегетативные, в результате которых изменяется работа внутренних органов. Иногда соматические рефлексы называют двигательными, тем самым подчёркивая, что ответной реакцией в данном случае будет некое движение, видимое глазом. Например, коленный рефлекс, чья рефлекторная дуга образована всего двумя нейронами, является типичным примером двигательных рефлексов.

Вся деятельность человека складывается из рефлексов разной степени сложности: врождённых безусловных реакций и условных рефлексов, которые формируются в течение жизни.

Сон. Ежесуточные изменения физиологических показателей организма человека называют околосуточными или циркадианными (от лат. circa – около, dies – день) ритмами. Одним из наиболее ярко выраженных околосуточных ритмов является чередование сна и бодрствования. Исследования спящих людей с помощью электрофизиологических методик показали, что сон человека состоит из циклов, повторяющихся с периодом 60–90 минут. Каждый цикл включает две фазы (стадии): медленноволновой (медленный) сон и быстроволновой (быстрый) сон. Сразу после засыпания развивается медленный сон. В течение медленного сна происходит торможение большинства отделов центральной нервной системы, снижается активность систем органов, дыхание становится редким, частота сердцебиения и давление снижаются, кожа розовеет. На электроэнцефалограмме (ЭЭГ) в это время видны редкие волны большой амплитуды. В конце цикла фаза медленного сна на 10–20 минут сменяется фазой быстрого сна. На ЭЭГ появляется быстрая низкоамплитудная активность, сходная с той, которая регистрируется у человека в период бодрствования. Дыхание становится нерегулярным, увеличивается давление и частота сердцебиения, сокращается мимическая мускулатура, двигаются пальцы рук. Фазу быстрого сна ещё называют парадоксальным сном или фазой быстрых движений глаз. Во время этой стадии видно, как у спящего под сомкнутыми веками быстро и хаотично движутся глазные яблоки.