Уровни организации живой материи. Жизнь - активное поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, идущее с затратой полученной извне энергии
Жизнь - активное поддержание и самовоспроизведение специфической структуры, идущее с затратой полученной извне энергии. Жизнь на Земле существует в виде отдельных организмов, и независимо от строения и размеров организмы всегда обособлены от окружающей их среды, при этом постоянно находятся во взаимодействии с ней.
Для живого характерен ряд свойств, которые в совокупности «делают» живое живым. Такими свойствами являются самовоспроизведение, целостность и дискретность, рост и развитие, обмен веществ и энергии, наследственность и изменчивость, раздражимость, движение, внутренняя регуляция, специфичность взаимоотношений со средой.
Живой организм - целая биологическая система, состоящая из взаимозависимых и соподчиненных элементов, взаимоотношения и особенности строения которых определены их функционированием как целого. Главные отличия живых организмов - способность к саморегуляции (сохранению строения, состава и свойств) и способность к самовоспроизведению (многократному повторению своих характеристик в поколениях). По определению акад. М. В. Волькенштейна «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот».
Живые тела наряду с веществами, распространенными в неживой природе, содержат множество веществ, характерных только для живых организмов (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Химический состав клетки (%)
| Неорганические соединения | Органические соединения | ||
| Вода | 70-80 | Белки | 10-20 |
| Углеводы | 0,2-2,0 | ||
| Неорганические вещества | 1,0-1,5 | Липиды (жиры) | 1,0-5,0 |
| Нуклеиновые кислоты | 1,0-2,0 | ||
| АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) и другие низкомолекулярные органические вещества | 0,1-0,5 |
Из числа существующих на Земле химических элементов всеми необходимыми свойствами для того, чтобы быть структурными компонентами живого вещества, обладают лишь соединения углерода. Уникальная способность углерода создавать углерод-углеродные связи, составлять полимерные цепи и кольца, содержащие как одинарные, так и кратные углерод-углеродные химические связи, позволяет образовывать огромное количество разнообразных органических соединений.
Подобным свойством образовывать химические связи с самим собой обладают еще два элемента - сера и кремний, однако они сильно уступают углероду. В результате построение живого вещества на основе преимущественно серы или кремния невозможно. Тем не менее кремний- и серосодержащие органические соединения в живой природе многочисленны и играют важную роль.
Среди неорганических веществ, входящих в состав клетки, первое место занимает вода. Ее роль чрезвычайно велика: большинство химических процессов протекает только в водных растворах, вода обеспечивает терморегуляцию, многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в виде водных растворов.
Биогенные элементы - химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и необходимые им для жизнедеятельности. В составе живого вещества более 70 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, причем больше всего (около 98% по массе) в клетках кислорода, водорода и углерода. К числу так называемых «универсальных» элементов (присутствующих в клетках всех организмов) относятся азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий.
Свыше 30 металлов (Al, Fe, Сu, Mn, Zn, Mo, Со, Ni, Sr, Se, As и др.) и неметаллов (I, Br, F, В), содержащихся в клетках в малых количествах (обычно тысячные доли процента и ниже) и исключительно необходимых для жизнедеятельности клеток, называют микроэлементами.
Сравнение химического состава живого и косного вещества Земли - земной коры и вод Мирового океана показывает несоответствие распространенности химических элементов в косных компонентах и живом веществе. Так, в земной коре содержание углерода в 70 раз ниже, чем в живом веществе, а кремния, наоборот, намного больше.
Недостаток или недоступная для усвоения организмом форма в окружающей природной среде какого-либо необходимого для жизнедеятельности химического элемента ограничивает рост и размножение живых организмов.
В живых клетках обнаруживают следы практически всех элементов, присутствующих в ОС. Различия в ходе геологической истории и почвообразующих процессов в отдельных областях Земли привели к формированию биогеохимических провинций - областей на поверхности Земли, резко отличающихся по содержанию каких-либо химических элементов, например урановые и ториевые провинции. Значительная недостаточность или избыточность содержания химического элемента в среде вызывает в пределах данной биогеохимической провинции соответствующие эндемии - специфические заболевания растений, животных и человека.
Именно с молекулярного уровня начинаются разнообразные и чрезвычайно сложные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и другие.
Клеточный уровень.Клеткане только структурная и функциональная единица любого живого организма, но и единица развития его. На клеточном уровне сопрягаются такие важнейшие процессы, как передача информации и превращение веществ и энергии.
Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента зарождения до прекращения существования) как живая система. В организме возникают системы органов, которые специализируются для выполнения различных функций (пищеварения, дыхания и т.д.).
Популяционно-видовой уровень.Популяциякак совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания, является уже надорганизменной структурой. Важно подчеркнуть, что именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.
Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации во всем многообразии связей с факторами среды их обитания. В течение совместного исторического развития организмов разных систематических групп возникают динамичные, довольно устойчивые сообщества.
Биосферный уровень. Поскольку биосфера есть совокупность всех биогеоценозов, охватывающая все явления жизни, она является высшим уровнем организации живой материи. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии.
Обмен веществ
Поток солнечной энергии воспринимается молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей. Создаваемые таким образом (при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным (заяц), от них - к плотоядным животным первого порядка (лиса), затем второго порядка (волк) и так далее. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии.
Когда температура того или иного тела выше температуры окружающего воздуха, то есть имеет место некоторый градиент (перепад) температур, общая температура системы «тело-среда» стремится к равновесию. При этом тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном итоге энергия любого живого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы оказываются невозможными. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Таким образом, энтропия являясь мерой неупорядоченности системы, отражает возможности превращения энергии. Если бы поток солнечной энергии, поступающий к Земле, только рассеивался бы и не передавался телам, то жизнь была бы невозможной. Для того чтобы энтропия системы не возрастала, организм или совокупность организмов должны извлекать «упорядоченность организации» откуда-то извне, то есть непрерывно поддерживать, накапливать ее, или, как принято говорить, «работать» против градиента. Иными словами, организм должен извлечь из окружающей среды отрицательную энергию или негэнтропию.
Организмы способны выполнять работу против уравновешивания температуры с окружающей средой именно за счет образования сложно организованных упорядоченных молекулярных структур. Очевидно, что для работы против градиента экологическая система должна получать соответствующую энергетическую дотацию. Получая ее от Солнца, она, по существу, является открытой системой. Организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. При этом часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале же этого потока энергии находится процесс питания растений — фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградированных органических и минеральных веществ. Как следствие, энтропия уменьшается за счет поступления «даровой» энергии от Солнца.
Представленная информация чрезвычайно важна, так как любые воздействия человека на биосферу и ее компоненты в конечном итоге приводят к повышению неупорядоченности систем (возрастанию энтропии) и могут иметь следствием их необратимую деградацию. Возможен случай, когда вся энергия организма или системы организмов полностью превращается в тепловую форму и рассеивается. Это может произойти, например, в случае гибели организма. Упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются, и окислительно-восстановительные процессы останавливаются.
По второму началу термодинамики энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. То же самое может произойти, если в сообществе живых организмов, например, в лесу, прервать поступление и передачу энергии, уничтожив ассимиляционный аппарат (устьица, через которые происходит питание и газообмен) зеленых растений.
Следовательно, жизнь должна рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой экологической системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче от одного пищевого звена к другому.
Поступающая энергия требуется для осуществления жизненно важных процессов, но в первую очередь для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Подчеркнем, что живые существа способны использовать только два вида энергии — световую (энергию излучения Солнца) и химическую (энергию связей химических соединений, содержащихся в пище). Этот признак и разделил живые организмы на фототрофы и хемотрофы.
Фотосинтез. Солнечную энергию способны непосредственно использовать только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. За счет этой энергии они синтезируют органические соединения: углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты и др. Такой биосинтез, который происходит благодаря энергии света, и называют фотосинтезом. Отметим, что зеленый цвет фотосинтезирующих клеток зависит от наличия в них хлорофилла, поглощающего свет в красной и синей частях спектра и пропускающего лучи, которые дают при их смешении зеленый цвет. Некоторые водоросли и бактерии имеют и иные светопоглощающие пигменты, что придает им бурый, красный или пурпурный цвет.
Исходными веществами для фотосинтеза служат диоксид углерода атмосферы и вода:
6CO2+6H2O ® С6H12O6+6O2
Часть синтезируемой при фотосинтезе глюкозы является источником энергии для всех последующих процессов жизнедеятельности растения, в том числе и его роста (развития).
С целью последующего синтеза более сложных органических веществ растения наряду с первичным строительным материалом - глюкозой используют многие неорганические вещества: азотистые, фосфорные, сернистые соединения. Главным источником азота как элемента питания растений служат молекулы атмосферного азота: его способны фиксировать бактерии, живущие в корневых клубеньках, главным образом бобовых растений. Газообразный азот превращается при этом в аммиак — NH3 и далее входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных соединений.
Те живые существа нашей планеты, которые не способны к фотосинтезу, используют для питания готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, живущие благодаря трансформированной растениями энергии Солнца (за исключением хемосинтезирующих микроорганизмов).
Фотосинтезирующие клетки, захватывая диоксид углерода из атмосферы, взамен выделяют в нее кислород. Постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к появлению клеток с энергетическим аппаратом нового типа. Они производили энергию вследствие окисления органических соединений, главным образом углеводов и жиров, при участии атмосферного кислорода в роли окислителя. В результате на Земле наступил важнейший этап в развитии жизни - этап кислородной или аэробной жизни.
Таким образом, планетарная роль растений и иных фотосинтезирующих организмов чрезвычайно велика: 1) они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений. Последняя используется всеми остальными живыми существами планеты; 2) они поставляют в атмосферу кислород, который служит для окисления органических веществ и извлечения при помощи этого запасенной в них химической энергии аэробными клетками; 3) наконец, некоторые виды растений в содружестве (симбиозе) с азотфиксирующими бактериями переводят атмосферный азот в состав молекул аммиака, его солей и органических азотсодержащих соединений.
Хемосинтез.Сложные органические вещества для построения своих тел создают не только зеленые растения, но и бактерии, которые не содержат хлорофилла. Этот процесс — хемосинтез, осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: сероводорода, водорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Образующаяся при этом энергия запасается в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Хемосинтез открыл известный русский микробиолог С.Н. Виноградский.
В качестве примера хемосинтеза рассмотрим окисление сероводорода и аммиака.
В водоемах, содержащих сероводород, живут бесцветные серобактерии. Энергию (Е), которая необходима для синтеза органических соединений из диоксида углерода, они получают в результате окисления сероводорода:
2H2S + O2 -> 2H2O + 2S + E.
Свободная сера, выделяющаяся в результате этого, накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода впоследствии не хватает, бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление содержащейся в них свободной серы до серной кислоты:
2S + 3O2 + 2Н2O -> 2H2SO4 + Е'.
Образовавшаяся энергия (Е') также используется для осуществления синтеза органического вещества из диоксида углерода. В целом энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждый моль сероводорода.
В почве и различных водоемах широко распространены нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, который образуется при гниении белков в почве или водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями (их С.Н. Виноградский назвал нитросомонас). Этот процесс может быть описан таким уравнением:
2NH3 + 3O2 -> 2HNO2 + 2Н2O + Е.
Энергия, которая выделяется при этом (662 кДж/моль), также используется для синтеза органических соединений. В последующем окисление азотистой кислоты HN02 до азотной осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, названных нитробактером:
2HNO2 + O2 -> 2HNO3 + Е.
Указанный процесс сопровождается выделением 101 кДж. Отметим, что процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Кстати говоря, жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.
Итак, для того чтобы строить свое тело и размножаться, любой живой организм должен непрерывно получать определенное количество энергии. В дальнейшем она расходуется: 1) на поддержание жизни, т.е. основной обмен. Эти затраты носят одновременно энергетический и формообразующий характер, так как ткани тела организма постоянно обновляются на протяжении всей жизни; 2) на перемещение в пространстве (если речь идет об организме, который передвигается) — это затраты активности. Вместе с затратами на поддержание жизни они составляют затраты на самосохранение; 3) на обеспечение роста путем синтеза новой протоплазмы; 4) на формирование элементов, необходимых для размножения (яйца, эмбрионы, семена) и образование углеводных (растения) или жировых (животные) запасов.