Концепции современного естествознания
Определение терминов "полисахарид" и "липид", их структурная форма. Современные представления о происхождении жизни, возникновение и эволюция биологических систем. Сущность и основные признаки живых систем. Основные уровни организации живой природы.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.12.2015 |
| Размер файла | 32,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
1. Полисахариды
2. Липиды
3. Современные представления о происхождении жизни
4. Сущность и основные признаки живых систем
5. Уровни организации живой природы
6. Генетика и молекулярная биология
1. Полисахариды
Полисахариды (гликаны) - это молекулы полимерных углеводов, соединенных длинной цепочкой моносахаридных остатков, объединённые вместе гликозидной связью, а при гидролизе становятся составной частью моносахаридов или олигосахаридов. Они выстраиваются либо линейной в структурной форме, либо разветвленной. Примерами могут служить резервные полисахариды, такие как крахмал и гликоген и структурные полисахариды - целлюлоза и хитин.
полисахарид эволюция биологический жизнь
2. Липиды
Липимды (от др.-греч. лЯрпт -- жир) --это нерастворимые в воде вещества, в состав которых входят части молекул глицерина и трех жирных кислот. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных -- из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках[1]. Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, липиды влияют на проницаемость клеток и активность многих ферментов, участвуют в передаче нервного импульса, в мышечном сокращении, создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах[2]. Также липиды образуют энергетический резерв организма, участвуют в создании водоотталкивающих и термоизоляционных покровов, защищают различные органы от механических воздействий и др.[1] К липидам относят некоторые жирорастворимые вещества, в молекулы которых не входят жирные кислоты, например, терпены, стерины. Многие липиды -- продукты питания, используются в промышленности и медицине[1].
Согласно нестрогому определению, липид -- это гидрофобное органическое вещество, растворимое в органических растворителях; согласно строгому химическому определению, это гидрофобная или амфифильная молекула, полученная путём конденсации тиоэфиров или изопренов[3]
3. Современные представления о происхождении жизни
Возникновение и эволюция биологических систем - исходная тема биологии. Вокруг нее концентрируются все другие частнонаучные проблемы и вопросы, а также строятся философские обобщения и выводы.
В соответствии с двумя основными мировоззренческими позициями - материалистической и идеалистической - еще в древней философии сложились противоположные концепции происхождения жизни: креационизм и материалистическая теория происхождения органической природы из неорганической. Сторонники креационизма утверждают, что жизнь возникла в результате акта божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Сторонники концепции происхождения жизни из неживой природы утверждают, что органическая природа возникла благодаря действию естественных законов. Позже эта позиция была конкретизирована в идее самозарождения жизни. Концепция самозарождения, несмотря на ошибочность, сыграла позитивную роль, опыты, призванные подтвердить ее, предоставили богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки. Окончательный отказ от идеи самозарождения произошел только в XIX в.
В XIX в. была также выдвинута гипотеза вечного существования жизни и ее космического происхождения на Земле. В 1865 г. немецкий врач Г. Рихтер высказал предположение, что жизнь существует в космосе и переносится с одной планеты на другую. В 1907 г. шведский ученый С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу, согласно которой зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планеты, дают начало жизни. Эта гипотеза получила название панспермии. В начале XX в. идею космического происхождения биологических систем на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал русский ученый В.И. Вернадский.
В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин в результате длительного процесса космической, геологической и химической эволюции - абиогенез. Абиогенная концепция не исключает возможности существования жизни в космосе и ее космического происхождения на Земле. Понятно, что воспроизвести процессы, происходившие в момент зарождения жизни, невозможно, поэтому любые заключения по этому вопросу и любые интерпретации этой темы основаны на методе моделирования (1.5).
Первый этап возникновения живого связан с химической эволюцией. После возникновения Земля представляла собой раскаленный шар. Постепенное остывание планеты способствовало тому, что тяжелые химические элементы перемещались к ее центру, а легкие постепенно скапливались на поверхности. Легкие элементы - кислород, углерод, азот и водород - стали взаимодействовать друг с другом, и в ходе дальнейшей химической эволюции появились различные органические соединения. Земная жизнь имеет углеродную основу, чему способствуют особые физические свойства этого химического элемента. Так, углерод способен создавать самые разнообразные структуры, число возможных органических соединений на основе углерода составляет десятки миллионов. Соединения углерода активны при невысокой температуре, даже при небольшой перестройке молекул их химическая активность может существенно меняться. Соединения углерода с водородом, азотом, кислородом, серой, железом и т. п. обладают высокими каталитическими свойствами. Кроме того, многие углеродные соединения хорошо растворяются в воде. Тем не менее ученые не исключают возможности возникновения жизни и на иной, например, кремниевой основе.
По мере остывания земной поверхности происходило сгущение водяных паров, что впоследствии привело к образованию огромных водоемов. Результатом активной вулканической деятельности на первых этапах эволюции нашей планеты стал выброс на ее поверхность различных карбидов - соединений углерода с металлами. Карбиды смывались в первичный океан, где вступали во взаимодействие с водой. В результате этих химических реакций образовались различные углеводородные соединения.
Второй этап возникновения живого связан с появлением белковых веществ. Присутствие в водах первичного океана большого числа углеродных соединений привело к возникновению концентрированного «органического бульона», в котором осуществлялся дальнейший процесс синтеза сложных органических молекул - белков и нуклеиновых кислот - из достаточно простых углеродных соединений.
Одним из условий для синтеза сложных органических молекул - биополимеров - является высокая концентрация исходных веществ. Предполагается, что необходимые условия сложились в результате осаждения простых органических молекул на минеральных частицах, например на глине, первичных водоемов. Кроме того, органические молекулы могли образовывать тонкую пленку на поверхности воды, которая под воздействием ветра и водных потоков сбивалась к берегу, образуя толстые слои.
Еще одним условием для синтеза биополимеров является наличие бескислородной среды, поскольку кислород, будучи сильным окислителем, моментально разрушил бы исходные органические соединения. Американский ученый Г. Юри выдвинул предположение, что первичная атмосфера Земли действительно была бескислородной и носила восстановительный характер. Она была насыщена инертными газами - гелием, неоном, аргоном, содержала водород, метан, аммиак и азот. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Вторичная атмосфера Земли имела уже иной состав, который стал следствием развития жизни. Вторичная атмосфера на 20 % состояла из кислорода и носила окислительный характер. Для подобного преобразования земной атмосферы понадобилось не менее 1 млрд лет. Идея Г. Юри оказала значительное влияние на развитие представлений о происхождении жизни.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров - белковых молекул и азотистых оснований - была экспериментально доказана в середине XX в. В 1953 г. американский ученый С. Миллер смоделировал первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты, уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты путем пропускания электрических зарядов через смесь инертных газов. Таким образом было продемонстрировано, как под действием абиогенных факторов возможен синтез сложных органических соединений.
Итак, под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты. Согласно гипотезе русского ученого А.И. Опарина, которая была изложена в работе «Происхождение жизни» (1924), смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения способны образовывать коацерватные капли. Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Так, например, коацерваты способны поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т. п. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к самовоспроизводству и саморегуляции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам.
Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерва-тов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологической эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.
Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции. Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М. Эйген. Согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь - гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.
Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика (8.2). Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.
4. Сущность и основные признаки живых систем
В классической биологии соперничали две противоположные позиции, объяснявшие сущность живого принципиально различным образом, - редукционизм и витализм.
Сторонники редукционизма считали, что все процессы жизнедеятельности организмов можно свести к совокупности определенных химических реакций. Термин «редукционизм» происходит от латинского слова reductio - отодвигать назад, возвращать. Идеи биологического редукционизма опирались на представления вульгарного механистического материализма, получившего наибольшее распространение в философии XVII-XVIII вв. Механистический материализм все процессы, происходящие в природе, объяснял с помощью законов классической механики. Адаптация механистической материалистической позиции к биологическому познанию привела к формированию биологического редукционизма. С точки зрения современного естествознания, редукционистское объяснение не может быть признано удовлетворительным, поскольку выхолащивает саму сущность живого. Тем не менее в биологии XVIII в. редукционизм получил широкое распространение.
Противоположностью редукционизма является витализм, сторонники которого объясняют специфику живых организмов присутствием в них особой жизненной силы. Термин «витализм» происходит от латинского слова vita - жизнь. Философской базой витализма является идеализм. Сторонники витализма использовали ограниченность редукционистской парадигмы как аргумент в пользу собственной правоты. Однако витализм не прояснял специфики и механизмов функционирования живого, сводя все отличия органического от неорганического к действию таинственной и непознаваемой «жизненной силы». Несмотря на то что витализм не объяснял сущности живого, в классической биологии было немало сторонников этой позиции.
Современная биология основными свойствами живого считает самостоятельный обмен веществ, раздражимость, подвижность, рост, способность к размножению и приспособляемость к среде. По совокупности этих свойств живое отличается от неживого.
Биологические системы - это целостные открытые системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией и способные к самоорганизации. Живые системы активно реагируют на изменения окружающей среды, приспосабливаясь к новым условиям. Биологические системы способны к самовоспроизводству, а, следовательно, к сохранению и передаче генетической информации последующим поколениям. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, однако ни одна неорганическая система не обладает всей совокупностью перечисленных выше свойств.
Существуют переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например вирусы. Слово «вирус» образовано от латинского virus - яд. Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д. Ивановским. С одной стороны, они состоят из белков и нуклеиновых кислот и способны к самовоспроизводству, т. е. имеют признаки живых организмов, но с другой стороны, вне чужого организма или клетки они не проявляют признаков живого - не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению. По своей структуре вирусы очень похожи на гены, исследования современной молекулярной биологии подтвердили это обстоятельство. В связи с этим даже обсуждается вопрос об эволюционной роли вирусов, которые иногда называют «взбесившимися генами» (5.6).
Все живые существа на Земле имеют одинаковый биохимический состав: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. Следует отметить, что современной органической химии известно более чем 100 аминокислот. По-видимому, такое небольшое число соединений, образующих все живое, является результатом отбора, который проходил на этапе предбиологической эволюции. Белки, из которых состоят живые системы, представляют собой высокомолекулярные органические соединения. В каждом конкретном белке порядок аминокислот всегда один и тот же.
Большинство белков выступает в качестве ферментов - катализаторов химических реакций, происходящих в живых системах.
5. Уровни организации живой природы
Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных уровней. Выделяют четыре основных уровня организации живой материи:
* молекулярно-генетический;
* онтогенетический;
* популяционно-видовой;
* биогеоценотический.
Единицей молекулярно-генетического уровня выступает ген - структурный элемент молекулы ДНК, несущий наследственную информацию, передаваемую от поколения к поколению, а элементарным явлением - воспроизводство генетических кодов по принципу матрицы (5.6).
Единицей онтогенетического уровня организации живого выступает отдельная особь, а элементарным явлением - онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.
Онтогенез - процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации. Термин «онтогенез» был введен в науку немецким биологом Э. Геккелем, который сформулировал закон о повторении в онтогенезе - индивидуальном развитии организма - основных этапов филогенеза - развития вида, к которому принадлежит данный организм. «Онтогения, - писал Э. Геккель, - является краткой и быстрой рекапитуляцией филогении, обусловленной физиологическими функциями наследственности (размножения) и приспособления (питания). Органический индивидуум повторяет в быстром и кратком ходе своего индивидуального развития самые важные из изменений форм, через которые прошли его предки в медленном и длительном ходе их палеонтологического развития согласно законам наследственности и приспособления». Эта закономерность называется основным биогенетическим законом. Единая теория онтогенеза пока не создана, поскольку не прояснены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма, и т. п. Сейчас можно говорить лишь о том, что онтогенез является следствием реализации сложной согласованной программы развертывания наследственных свойств организма.
Единица популяционно-видового уровня - популяция, а элементарное явление - направленное изменение ее генетического состава. Популяция - это совокупность особей одного вида, относительно изолированная от других групп этого же вида, занимающая определенную территорию, воспроизводящая себя на протяжении длительного времени и обладающая общим генетическим фондом. Популяция рассматривается как целостная открытая система, все элементы которой взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Термин «популяция» был введен одним из основателей генетики В. Иогансеном. Популяции существуют на протяжении длительного времени и способны к самостоятельному эволюционному развитию, их рассматривают в качестве «атомов» эволюционного процесса. Изучением популяций занимается популяционная биология. Кроме того, популяции выступают объектом рассмотрения синтетической теории эволюции, в рамках которой дается объяснение эволюционных механизмов в живой природе (5.7).
Совокупность совместно обитающих и взаимодействующих между собой популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определенную территорию, называется биоценозом. Биоценозы являются составным компонентом более сложной системы биогеоценоза. Биогеоценоз выступает единицей биогеоценотического уровня.
Элементарное явление этого уровня - переходы биогеоценозов из одного состояния динамического равновесия в другое. Биогеоценозы иначе называют экологическими системами. Термин «биогеоценоз» был введен русским ученым В.Н. Сукачевым в 1940 г., а термин «экологическая система» - английским ботаником А. Тенсли в 1935 г.
Биогеоценоз - сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических (популяции различных видов растений, животных и микроорганизмов) и абиотических (атмосфера, почва, вода, солнечная энергия) элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации. Биогеоценоз - целостная развивающаяся система, взаимодействия в которой описываются принципами прямых и обратных связей. Равновесие экологической системы поддерживается за счет внутренних сил самой этой системы. Поэтому о биогеоценозах говорят как об открытых системах, способных к самоорганизации в результате обмена энергией, веществом и информацией со средой, т. е. с другими биогеоценозами. Закономерности развития биогеоценозов можно описать в терминах синергетики (7.2).
Биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т. е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и исполняющей подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называют гомеостазом. Гомеостаз в живых системах можно рассматривать по аналогии с управляющими процессами в кибернетике (7.1).
Чем более многообразна экологическая система, чем больше число составляющих ее видов, тем она более жизнеспособна, устойчива во времени и пространстве. При благоприятных условиях экологические системы способны усложнять свою структурную организацию, повышая сопротивляемость разрушающим воздействиям. Но даже самые сложные и многообразные биогеоценозы не вечны. Внезапные резкие изменения внешних условий снижают устойчивость экологической системы и вызывают нарушение ее внутренней структуры. Выпадение даже одного из элементов биогеоценоза может повлечь за собой изменения в других и вызвать необратимое нарушение равновесия и распад экологической системы. Именно поэтому для нормальной жизнедеятельности биогеоценоза необходимо сохранение всех или подавляющего числа его элементов.
Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой. Развитие экологических систем, не связанное с серьезным изменением окружающей среды, представляющее собой последовательную смену биологических сообществ, называется сукцессией.
В заключение следует отметить, что каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить ее как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимодействии с неорганической материей.
6. Генетика и молекулярная биология
Генетика - наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости в живой природе. Слово «генетика» происходит от греческого genesis - происхождение. Основы этой научной дисциплины были заложены австрийским ученым Г. Менделем, который открыл законы наследственности. Г. Мендель показал, что наследование признаков происходит дискретно. Ученый скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получал только гладкие семена, а во втором - четверть морщинистых семян. Анализируя эти экспериментальные данные, Г. Мендель пришел к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором - доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Это явление было названо расщеплением признаков. Результаты экспериментов Г. Менделя опровергли тезис о том, что рецессивные признаки живого организма должны постепенно стираться в череде поколений. Открытые закономерности свидетельствовали: рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Значение открытия Г. Менделя, сделанного еще в XIX в., было по достоинству оценено только в XX в., который не без основания называют веком генетики.
В 1900 г. законы наследственности были вновь открыты сразу тремя учеными - X. де Фризом (Голландия), К. Корренсом (Германия) и Э. Чермаком (Австрия). Для объяснения выявленных в ходе экспериментов закономерностей X. де Фриз предложил теорию мутаций.
Мутация - это внезапное изменение наследственных структур, вызванное естественным или искусственным путем. Термин «мутация» происходит от латинского mutatio - изменение. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости в живой природе. Х. де Фриз предположил, что новые виды возникают именно в результате мутаций. Поначалу голландский ученый противопоставил мутации естественному отбору, заявив, что «значение отбора ограничено, эволюция идет путем резких скачков, мутаций». Однако позже Х. де Фриз согласился, что именно естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций и, следовательно, процессу эволюции.
После открытия Х. де Фриза в течение 20-30 лет в генетике лавинообразно накапливался новый эмпирический материал и появлялись объясняющие его теоретические гипотезы. В 1920-е гг. А. Вейсманом, Т. Х. Морганом, А. Стертевантом, Г. Дж. Меллером была разработана хромосомная теория наследственности, которая проясняла строение хромосом, порядок расположения генов - носителей наследственной информации, т. е. механизмы и причины мутационных изменений. Г. Дж. Меллер, в частности, показал, что мутации могут вызываться рентгеновскими лучами, воздействием химических веществ, резкими изменениями температуры и т. п.
В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена и выяснена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Этими исследованиями занималась школа американского генетика Т. Х. Моргана. На их основе возникла новая научная дисциплина - молекулярная биология, объединившая биохимию и генетику.
В 1944 г. американский биохимик О. Эвери и его команда установили, что носителем наследственной информации является ДНК, а в 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон расшифровали ее структуру. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеиновых цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых цепей. Выяснилось также, что именно свойство к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.
В последующие десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен искусственный синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т. п. Ко второй половине XX в. в генетике был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал. Наука вплотную приблизилась к разгадке одной из величайших тайн - самовоспроизводства живого. Выяснение молекулярных механизмов передачи генетической информации открыло совершенно новые возможности для практического применения этих знаний.
Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи нуклеиновых кислот ДНК (дезоксири-бонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). Как уже говорилось, в образовании белков участвует 20 аминокислот из 100 известных современной органической химии. Носителями генетической информации являются молекулы ДНК, которые находятся в хромосомах ядер клеток. ДНК состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. Звеньями молекулы ДНК выступают нуклеотиды.
Нуклеотид - это соединение азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В состав молекулы ДНК может входить один из четырех типов нуклеотидов, специфика которых определяется азотистым основанием: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), гуанин (G). Молекулу ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв А, Т, С, G в разных сочетаниях. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. А в 1962 г. эти ученые и биофизик М. Уилкинс получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода.
Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином, а цитозин с гуанином. Такая связь структурно соответствующих друг другу азотистых оснований называется принципом комплиментарности. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.
Механизм воспроизводства живого представляет собой матричный синтез белков, который происходит в несколько этапов. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи, выступающие в виде матрицы. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую. Новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности. В результате формируются две идентичные молекулы ДНК.
Существенную роль в процессе синтеза белков играют молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой одноцепочечную нить, состоящую из нуклеотидов. В состав молекулы РНК также входят четыре азотистых основания: три из них - аденин, цитозин и гуанин - сходны с азотистыми основаниями, входящими в состав молекулы ДНК, а четвертое - урацил (U) - отличается. С молекулы ДНК генетический код переносится на молекулу информационной РНК, которая представляет собой копию части ДНК, т. е. одного или нескольких рядом расположенных генов. Синтез белка осуществляется в рибосомах на основе генетического кода информационной РНК. Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосому с помощью транспортной РНК. Весь процесс синтеза белка занимает не более 6 мин. Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и дискретные отклонения от исходного состояния.
Одной из важнейших и интереснейших задач, стоящих перед современной наукой, является расшифровка генома человека.
Геном- это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. В 1988 г. для решения этой задачи по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека». По разным оценкам в состав генома человека входит от 50 тыс. до 100 тыс. генов. Успех даже на первом этапе расшифровки (определение последовательности нуклеотидных пар) приведет к пониманию причин и механизмов различных наследственных, инфекционных и т. п. заболеваний и позволит выработать эффективные методы их лечения.
Новые возможности открывает генная инженерия. Генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, сложилась в 1970-е гг. на основе синтеза методов молекулярной биологии и генетики. Генная инженерия - это раздел молекулярной биологии, в котором изучаются возможности целенаправленного конструирования новых биологических структур с заранее заданными свойствами за счет прямого вмешательства в генетический аппарат и комбинирования природного или созданного искусственно генетического материала.
В последнее время в генной инженерии исследуется целый комплекс вопросов, связанных с непостоянством генома. Оказалось, что в хромосомах и цитоплазме клетки существует целый ряд биохимических соединений, которые находятся в хаотичном состоянии и способны к взаимодействию со структурами нуклеиновых кислот другого организма. Эти биохимические соединения были названы плазмидами. Плазмиды способны включаться в клетку реципиента и активизироваться под действием определенных внешних факторов. Переход из латентного состояния в активное означает соединение генетического материала донора с генетическим материалом реципиента. Если полученная конструкция работоспособна, то начинается синтез белка. Понятно, что, используя данный механизм, можно изменить ДНК, запрограммировав ее на синтез определенных белков. На основе этой технологии в 1978 г. был синтезирован инсулин - белок, позволяющий бороться с диабетом.
Мигрирующие генетические элементы обнаруживают значительное сходство с вирусами. Открытие явления трансдукции генов, т. е. переноса генетической информации в клетки растений и животных с помощью вирусов, включающих в себя часть генов исходной клетки хозяина, дает основание предполагать, что вирусы и сходные с ними биохимические образования занимают особое место в эволюции. Некоторые ученые высказывают мнение, что мигрирующие биохимические соединения способны вызвать даже более серьезные изменения в геномах клеток, чем мутации. Если это предположение окажется верным, то придется существенно пересмотреть нынешние представления о механизмах эволюции. Сейчас выдвигаются гипотезы о значительной роли вирусов в смешении генетической информации различных популяций, возникновении скачков эволюционного процесса, одним словом, речь идет о важнейшей роли вирусов в эволюционном процессе.
Безусловно, генная инженерия дает ключ к решению многочисленных научных, медицинских и даже производственных проблем, стоящих перед человечеством, в частности созданию организмов с заранее заданными свойствами, лечению наследственных заболеваний путем «пересадки» отдельных генов (генная терапия), созданию безопасных вакцин и высокоэффективных лекарственных препаратов, объяснению иммуногенеза и канцерогенеза, что позволит человечеству бороться с заболеваниями, которые пока считаются неизлечимыми (онкологические заболевания, СПИД и т. п.). Кроме того, новые данные молекулярной биологии и возможности генной инженерии позволят значительно увеличить продолжительность жизни человека.
При этом развитие генной инженерии связано с опасностью, контуры и масштабы которой пока трудно оценить. Во-первых, могут быть созданы модифицированные организмы с нежелательными или неожиданными свойствами. Во-вторых, внедрение генных технологий уже привело к созданию многочисленных рекомбинантных микроорганизмов, распространение которых спровоцировало появление новых заболеваний. В-третьих, последствия генной терапии (непосредственного вмешательства в генотип человека), которая проводится уже на протяжении нескольких лет, также пока неизвестны. Ученые смогут с уверенностью говорить о том, как поведет себя введенный в клетку ген через 10-20 лет. В-четвертых, существует реальная опасность использования продуктов генной инженерии в военных целях. Именно поэтому любые теоретические исследования и особенно практические эксперименты в этой области требуют осмотрительности, серьезной подготовки и жесткой регламентации. Тем не менее Федерация европейских микробиологических обществ в Меморандуме 1996 г. заключила: «При осмотрительном применении генных технологий польза от них сильно перевесит риск отрицательных последствий; технологии конструирования рекомбинантных ДНК внесут существенный вклад в здравоохранение, в развитие устойчивого сельского хозяйства, в производство пищи, в очистку окружающей среды».
О практических возможностях современной биологической науки свидетельствуют также опыты с клонированием, результаты которых обнародованы в последние годы. Термин «клон» происходит от греческого klon - ветка, побег.
Клонирование - это точное (на генетическом уровне) воспроизведение живого объекта в п-ом количестве копий. При клонировании гены донорской особи сохраняются и в полном объеме передаются рождающемуся потомству. В этом случае гены доноров-родителей и клонов-детей не просто схожи, как в случае полового размножения, а полностью идентичны.
Случаи естественного клонирования известны давно. Это, например, рождение однояйцовых близнецов, которые несут одинаковые наборы генов. Искусственное клонирование растений черенками, почками или клубнями не только известно, но и используется уже более 4 тыс. лет. Возможность искусственного клонирования животных появилась только в XX в. В 1950-е гг. американские ученые начали проводить эксперименты с клонированием эмбрионов амфибий, используя метод пересадки ядер эмбриональных клеток в лишенные ядер (энуклеированные) яйцеклетки. В 1970-е гг. начались опыты по клонированию мышей, которые, однако, оказались не слишком удачными - эмбрионы клонированных животных погибали на ранних стадиях.
Первые сведения об успешном клонировании животных появились еще в 1980-е гг. Это были эксперименты на кроликах, свиньях, коровах и овцах. В 1993-1995 гг. английский ученый Я. Уилмут и его группа, работавшая в Эдинбургском биологическом институте, методом клонирования получили пять ягнят (самок). Две клонированных особи погибли вскоре после рождения, третья - в возрасте 10 дней, а две оставшиеся достигли 8-9-месячного возраста. Эти эксперименты, однако, не произвели такой сенсации, как появление весной 1997 г. овечки Долли. Механизм клонирования Долли выглядел следующим образом. Из овец породы «шотландская черномордая» были выделены яйцеклетки, которые поместили в искусственную питательную среду. Затем из клеток удалили собственные ядра и «наполнили» их генетическим материалом клонируемой особи-донора. Для этой цели использовались клетки молочной железы шестилетней беременной овцы породы «финский дорсет». Затем зародыши культивировали в перевязанном яйцеводе овцы-реципиента. Фенотипически Долли оказалась полностью сходной с овцой породы «финский дорсет», которая выступала донором, и сильно отличалась от овцы-реципиента породы «шотландская черномордая».
После этого успеха некоторые ученые заговорили о том, что технология, результатом которой стало появление овечки Долли, потенциально может быть применима и к человеку. Эта информация вызвала бурную дискуссию, которая обнаружила, что в связи с возможностью клонирования человека возникают многочисленные этические и юридические вопросы. Дело в том, что из 277 опытов, проведенных с эмбрионами овцы, успешным оказался только один, а значит, клонирование человека по такой технологии не страхует от появления уродов, причем вероятность их конструирования составляет как минимум 276: 1. Один этот факт может служить основанием для моратория на эксперименты с клонированием человека, поскольку возможные отрицательные последствия таких опытов значительно превышают положительные.
Теоретически клонирование человека может иметь положительные стороны: решение проблемы бесплодия, создание банка запасных клеток и тканей и т. п. Но они минимальны на фоне огромного риска получения негативных результатов, которые могут нанести колоссальный урон здоровью, благополучию и безопасности людей. Клонирование человека, безусловно, открывает огромные возможности, которые даже трудно представить в полном объеме, но ставит и новые вопросы, поиск ответов на которые требует философского осмысления и в некоторых случаях даже политической воли. Интуитивные решения в сфере клонирования человека оказываются недостаточными, поскольку от содержания ответов напрямую зависит эволюционное будущее человечества.
В этой ситуации большинство ученых и политиков говорят о необходимости ввести запреты на эксперименты по клонированию человека. Так, в октябре 1997 г., практически сразу после обнародования результатов по клонированию овечки Долли, Федерация научных обществ экспериментальных биологов США объявила пятилетний мораторий на эксперименты по клонированию человека. Клонирование людей законодательно запрещено в Великобритании, США и России. Однако при этом в апреле 2002 г. информационные агентства мира сообщили, что первых клонированных человеческих существ могут родить две женщины в бывшем СССР и одна гражданка неназванной исламской страны, которые беременны клонами на шестой-девятой неделе.
Эти сведения были получены от итальянского специалиста по искусственному оплодотворению С. Антинори. Этот факт, даже если он не подтвердится, свидетельствует, что борьба сторонников и противников клонирования человека продолжается.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Электромагнитные взаимодействия как определяющий уровень организации материи. Сущность живого, его основные признаки. Структурные уровни организации живой материи. Предмет биологии, ее структура и этапы развития. Основные гипотезы происхождения жизни.
лекция [28,4 K], добавлен 18.01.2012Существование и развитие неживой природы. Признаки живого на молекулярном уровне. Достижение современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем. Основные биохимические и цитологические процессы, происходящие на клеточном уровне.
реферат [867,8 K], добавлен 06.09.2013Объекты биологического познания и структура биологических наук. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода. Концепции начала и эволюции жизни. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ. Экология и взаимоотношения живых существ.
реферат [52,9 K], добавлен 07.01.2010Специфика живого вещества и проблемы изучения живой природы в естествознании. Концепции происхождения жизни на планете и эволюции живых организмов. Зарождение и развитие Солнечной системы. Теория структурных уровней организации биотической материи.
контрольная работа [49,2 K], добавлен 06.10.2012Открытые и замкнутые системы, их активность и обмен, строение и классификация. Иерархическое соподчинение систем, подсистем и элементов. Симптомы и признаки современного экологического кризиса. Характеристика уровней иерархии биологических систем.
реферат [24,6 K], добавлен 14.08.2009Уровни организации живой природы, их характеристика. Особенности молекулярного, клеточного, организменного, популяционно-видового, биоценотического и биосферного уровней. Основные методы и приемы познания живой природы. Описательный и исторический методы.
презентация [3,2 M], добавлен 05.12.2011Признаки живой материи, которые отличают ее от неживой. Ферменты, их применение в пищевых технологиях. Отличие ферментов от небиологических катализаторов. Органы и ткани животных. Углеводы, получаемые из растительного сырья. Полисахариды второго порядка.
контрольная работа [35,1 K], добавлен 26.11.2012Основные отличительные особенности живых организмов и явлений живой природы от неживых предметов. Признаки живого организма: способность нести генетическую информацию, размножаться и передавать наследственные признаки потомству. Царства живой природы.
презентация [87,9 K], добавлен 10.03.2011Основные особенности и внутрисистемные связи живых систем. Наличие собственной программы их развития и способность к активному оперированию информацией. Периодический закон развития живых систем. Иерархическая функционально-структурная организация.
курсовая работа [122,1 K], добавлен 22.07.2009Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.
шпаргалка [136,9 K], добавлен 12.02.2011Биология как комплекс наук, которые непосредственно связаны с изучением живого. Уровни развития биологических знаний. Сущность жизни, особенности ее понимания в биологии. Возникновение теории происхождения видов. Современные проблемы теории селектогенеза.
реферат [48,8 K], добавлен 27.12.2016Характеристика уровней организации жизни живых систем. Строение систем и органов человека. Понятие и роль центральной и вегетативной нервной системы. Высшая нервная деятельность и безусловные рефлексы. Сущность и биологическая роль гормонов тимуса.
контрольная работа [29,0 K], добавлен 23.12.2010Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость. Причины доминирования теории эволюции. Естественнонаучные гипотезы о происхождении жизни. Христианские взгляды на происхождение человека.
курсовая работа [76,0 K], добавлен 12.06.2013Развитие неживой и живой природы. Структура и ее роль в организации живых систем. Современный взгляд на структурную организацию материи. Проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, законы построения организации и возникновения упорядоченности.
контрольная работа [38,2 K], добавлен 31.01.2010Естественнонаучная и гуманитарная культуры и история естествознания. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Порядок и беспорядок в природе, хаос. Пространство и время, принципы относительности, симметрии, универсального эволюционизма.
курс лекций [545,5 K], добавлен 05.10.2009Обмен веществ как главное отличие живых объектов и процессов от неживых. Два основных типа биополимеров в составе живых систем: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Необходимые для жизни физические и химические условия. Свойства живых систем.
контрольная работа [20,2 K], добавлен 22.05.2009Представления о происхождении человека в Европейском средневековье. Современные взгляды на проблему происхождения человека. Предположения Ч. Дарвина о происхождении человека. Проблема прародины современного человека. Особенности хода эволюции человека.
реферат [36,8 K], добавлен 26.11.2010Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.
книга [353,5 K], добавлен 21.03.2009Человек – целостная система, которая является компонентом более сложных систем – биологической и социальной. Постижение генезиса человека. Концепции современного естествознания. Эволюция видов - гибель одних, выживанием вторых и появлением новых видов.
контрольная работа [21,0 K], добавлен 12.02.2009Аспекты разнообразия живых систем. Открытые, закрытые, организменные и надорганизменные живые системы. Первые древнейшие доклеточные протобионты. Адаптивный смысл структурной агрегации монобионтов. Развитие живых систем как функция структурной агрегации.
курсовая работа [730,6 K], добавлен 21.07.2009
